DE2522503C3 - Kernbrennstoff element, bestehend aus einer mit Brennstofftabletten gefüllten Hülse - Google Patents

Description

Die Erfindung Detrifft ein Kernbrennstoffelemcnt, bestehend aus einer mit Brennstofftabletten gefüllten, an beiden Enden verschlossenen Hülse, welche in ihrem Inneren zusätzlich ein zu (nA)-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 DT-AS 13 00 177 bekannt. Die Brennstofftabletten sind mit dem zur (π,α)-Reaktion befähigten Material (im folgenden kurz »Neutronengift«) vollständig ummantelt. Als Brennstoff findet gesintertes UO2, als Neutronengift Bor oder eine Borverbindung Verwendung. Die Brennstofftabletten sind mit geringem axialem und radialem Spiel in der stirnseitig verschlossenen Hülse des Brennelementes eingeschlossen. Das Spiel trägt der Ausdehnung des Brennstoffs während des Betriebes Rechnung. Die Hülse ist mit Heüum von etwa I bar gefüllt.

Insbesondere beim Einsatz in Siedewasserreaktoren tritt nach einiger Betriebszeit jedoch eine spürbare Schrumpfung der Brennstofftabletten ein, so daß der Spalt zwischen dem Außenmantel der Brennstofftablet te 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 als Helium aufweisen. Bei 450⁰C ist die Wärmeleitfähigkeit des Kryptons nur 6,8% und die des Xenons nur 4,1 % der Wärmeleitfähigkeit des Heliums bei gleicher Temperatur. Außerdem werden noch von den Brennstofftabletten Reste adsorbierter Gase in den Gasraum des verschlossenen Brennelementes abgegeben, die bei der Fertigung der Brennstofftabletten 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 Brennstofftabletten.

Während die aus der DT-AS 13 00177 bekannten Brennstofftabletten mit dem Neutronengift ummantelt sind, ist das Neutronengift bei den aus der DT-AS 12 66 410 bekannten Brennstofftabletten in diese dispergiert eingearbeitet. Die aus der DT-AS 12 79 230 bekannten Brennstofftabletten weisen 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 Brennstofftabletten eine durch die ganze Säule verlaufende Giftseele. Auch diese Ausbildungen der Brennstofftablette bzw. der Brennstofftablettensäule 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 erfindungsgemäß das zur (n,a)-Reaktion befähigte Material im unterer Bereich des Brennelementes angeordnet ist, daß die stirnseitig in der Hülse gestapelten Brennstofftabletten koaxiale Bohrungen aufweisen, die im Brennelement einen gemeinsamen Zer.tralkanal bilden, daß dieser Zentralkanal Teil eines Zirkulationsweges im Brennstoffelement für die Spaltgase ist, die durch Naturumlauf in diesem Zentralkanal aufsteigen, im Spalt

y> zwischen der Hülseninnenwand und der Brennstofftablettensäule absteigen und über Durchlässe wieder in den Zentralkanal zurückkehren.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem unteren stirnseitigen Abschlußstopfen

ss der Hülse und der untersten Tablette der Brennstofftablettensäule ein Speicherraum für gasförmige Spaltprodukte ausgebildet ist.

Die Heliumerzeugung durch (n,<x)-Reaktion in der Brennelementhülse kann durch Einfügen eines schei-

(K) benförmigen, porösen Sinterkörpers zwischen der oberen Stirnfläche der obersten Tablette der Tablettensäule und der Innenfläche des stirnseitigen Abschlußstopfens verstärkt werden

Durch den Zwangsumlauf und die damit verbundene

im 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 Füllzustand fast unverändert hohe Heliumkonzentration aufrechterhalten. Dadurch wird eine wesentlich verbesserte Wärmeleitung im Spalt bewirkt Dies gewährleistet auch nach langer Betriebsdauer einen sehr hohen Sicherhortsfaktor. 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 ι υ wesentlich günstigeren Leistungskenndatan 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 ι s

F i g. 2 eine vergrößerte Teildarstellung 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 am Fuß mit einem Abschlußstopfen 5 verschlossen ist Die Stopfen 4 und 5 sind auf die Hülse mit einer Wolframelektrode unter Inertgas oder vorzugsweise durch Elektronenstrahlschweißen aufgeschweißt. Das Innere des Brennstoffelementes ist mit stirnseitig übereinanderliegenden, zu einer Säule gestapelten UCVBrennstofftabletten 16 gefüllt. Die Brennstofftabletten 16 weisen eine Zentralbohrung auf, die in der Tablettensäule einen durchgehende η Zentralkanal 24 bilden. Die Tablettensäule ruht auf einer Auflagescheibe 17, die von einer Feder 8 nach aufwärts gedruckt wird. Zwischen der inneren Stirnfläche des oberen Abschlußstopfens 4 und der dieser Fläche 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 Hülse 2 ist ein freier Zylinderringraum 14 ausgebildet. Dieser Zylinderringraum geht an seinem unteren Rand in einen zylindrischen Speicherraum 21 über. Dieser Speicherraum 21 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 Brennstoffelementes drückt.

An der Unterseite der Auflagescheibe 17 (Fig. 2) ist ein im wesentlichen zylindrisch ausgebildeter Behälter 18 angeordnet, vorzugsweise befestigt. Der Behälter 18 weist im oberen Bereich seines Innenraumes eine aufwärtsgerichtete 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 26 frei. Zwischen der Oberkante des Behälters 18, die mit der Unterseite der Auflagescheibe 17 verbunden ist, und dem Fuß der Düse 22, die im unteren Teil des Behälters 18 einen Speicherraum abschließt, bleibt ein Ringraum frei, der einerseits durch Bohrungen 25 im Mantel des Behälters 18 mit dem Speicherraum 21, andererseits über den Ringspalt 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 UO2-Tabletten 16 beträgt ca. 2000⁰C. Die Manteltemperatur der Tabletten 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 Ringspalt 26 wieder in den Zentralkanai 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 Heliumatmosphäre im Brennelement einbezogen. Die von den UO2-Tabletten 16 als Spaltprodukte abgegebenen Gase Krypton und Xenon sammeln sich dabei allmählich und zunehmend im Gasspeicherraum

21 am Fuß des Brennelementes an, und zwar trotz und während der Zirkulation. Vielmehr wird gerade durch die Zirkulation die Trennung der Gase 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 Brennstofftableuen 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. 200⁰C niedriger gehalten werden, und zwar 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 Seltenerdmetalls 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 He'iumproduktion. Eine Grobeinstellung der Heliumproduktion wird selbstverständlich durch die Bemessung der Menge des in das Brennstoffelement gegebenen Borcarbids bestimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelement, bestehend aus einer mit Brennstofftabletten gefüllten, an beiden Enden verschlossenen Hülse, welche in ihrem Inneren zusätzlich ein zu (fl,«)-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 (/ia)-Reaktion befähigte Material (20) im unteren Bereich des Brennelementes (15) 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) Tail 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, dadurch 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 (π,λ)-Reaktion befähigten Material eingefügt ist.