DE2543462B2 - Verfahren zur Herstellung einer Adsorbermaterial enthaltenden Stützhülse für Kernreaktor-Brennstäbe - Google Patents

Description

renz gegenüber der normalen Atmosphäre standzuhalten. Erst der nach dem Zusammenbau des Brennstabes eingebrachte Vorinnendruck, bzw. der sich aufbauende Betriebsdruck, zerstört diese Folie, so daß damit das Adsorbermaterial mit höchstmöglicher Adsorptionsfähigkeit mit dem Innenraum des Brennstabes und seiner Brennstoffüllung in Verbindung steht.

Zur näheren Erläuterung dieser Erfindung ist in den F i g. 1 und 2 ein mögliches Ausführungsbeispiel näher dargestellt Die

F i g. 1 zeigt den oberen Teil eines Brennstabes im Längsschnitt, die

F i g. 2 zeigt im Längsschnitt eine das Adsorbermaterial enthaltende Kapsel.

Nach F i g. 1 besteht der Brennstab aus dem Hüllrohr is 1, den Endkappen 2, der Kernbrennstofftablettenfüllung 3 sowie der Aktivkohle enthaltenden Kapsel 5. Zwischen dieser Kapsel und der Brennstoffüllung 3 kann zusätzlich noch eine keramische wärmeisolierende Tablette 4 angeordnet sein. Innerhalb tier Kapsel 5 befindet sich das adsorbierende Material 52, in diesem Falle Aktivkohle, in granulierter Form. Dieses Material könnte jedoch auch in Tablettenform vorliegen. Die Kapsel 5 füllt praktisch den ganzen Spaltgassammelraum des Brennstabes aus und ersetzt auch die in diesem sonst enthaltene Stützhülse, deren Aufgabe es ist, ein Einbeulen des Hüllrohres in dieser Zone durch den Kühlmittelaußendruck zu verhindern. In vorliegendem Falle kann diese Stützhülse entfallen, ihre Aufgabe wird durch die Kapsel 5 mit übernommen.

Wie bereits erwähnt, ist es wichtig, daß das Adsorbermaterial im Zustand höchstmöglicher Gasadsorptionsfähigkeit in den Kapseln 5 eingeschlossen wird. Die F i g. 2 zeigt eine Verschlußmöglichkeit der Kapsel, durch die dieses Ziel auf einfache Weise erreicht wird. Die Kapsel 5 besteht nach dieser Figur aus einem äußeren zylindrischen Rohr 51, das an einem Ende durch einen Deckel 58 verschlossen wird und auf der anderen Seite durch die bereits erwähnte Folie, die hier mit 53 bezeichnet ist. Diese Folie 53, die z. B. aus Stahl besteht und eine Dicke von etwa 50 μ (0,05 mm) aufweist, liegt an einem eingepreßten Stützring 55 an. Nach außen wird die Hülse abgeschlossen durch ein Sieb 54, das mit einer Abstandshülse 56 zwischen dem eingezogenen Rand der Hülse 51 und der Folie 53 gehalten wird.

Beim Zusammenbau dieser Kapsel wird zunächst das Drahtsieb 54, dann die Abstandshülse 56, dann die Folie 53 und dann der Stützring 55 eingesetzt und gegen den unteren Gürtelrand der Hülse 51 geschoben. Dann wird ein Ring aus Lotmaterial 57, ζ. B. Kupfer oder Silberlot, eingelegt. Alsdann erfolgt das Einfüllen des Adsorptionsmaterials 52, also z. B. Aktivkohle. Zum Schluß wird der Deckel 58 aufgesetzt, der in einer Ringnut ebenfalls einen Lötdrahtring 59 enthält. In diesem Zustand wird die Kapsel 5 dann in einen Hochvakuumofen gebracht und dort bis zur Schmelztemperatur des Lotes unter Hochvakuum erwärmt Auf diese Weise wird die enthaltene Adsorbermaterialfüllung entgast, das freiwerdende Gas kann noch durch die Zwischenräume zwischen der Hülse 51 und dem Stützring 55 entweichen. Diese Zwischenräume können zusätzlich noch durch eine Rasterung der Außenfläche dieses Ringes vergrößert werden. Nach Erreichen der Schmelztemperatur des Lotes 57 und 59 füllt dieses die Spalte zwischen Deckel 58 und Hülse 51 sowie zwischen Stützring 55, Folie 53 und Hülse 51 aus. Der Abstandshalter 56 hat dabei die Aufgabe, für eine gute Anlagefläche der Folie 53 am Stützring 55 zu sorgen, aber auch ein Weiterfließen des Gutes bis zum Netz 54 zu verhindern. Dieses Netz hat die Aufgabe, zunächst einen ungehinderten Gasdurchtritt zu gewährleisten, aber auch ein Herausfallen des Adsorbermaterials zu verhindern. Es muß daher dafür gesorgt werden, daß es nicht mit Lotmaterial volläuft. Anstelle des Drahtsiebes kann selbstverständlich auch ein anderes hochporöses Material, wie z. B. ausgesinterte Metallkugeln oder Keramikteilchen treten.

Selbstverständlich wird man bei der Fertigstellung der Adsorberkapseln 5 die Hochtemperaturzone des Vakuumofens immer mit einer größtmöglichen Anzahl derartiger Hülsen beschicken, die zwecks Sicherstellung eines einwandfreien Verlaufes des Lotmaterials während dieser Behandlung senkrecht mit dem Deckel 58 nach oben gestapelt werden.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß auch noch andere Konstruktionsmöglichkeiten für derartige Adsorbermaterial enthaltende Kapseln möglich sind. Allen ist jedoch gemeinsam eine von dem Zusammenbau der Brennstäbe unabhängige Präparierung des Adsorbermaterials in Verbindung mit dem Fertigungsverfahren der Stützhülsen sowie deren spätere Handhabung ohne spezielle Vorsichtsmaßnahmen. Um eine Vorstellung von der Größe derartiger Kapseln zu geben, sei abschließend erwähnt, daß diese, wie bereits erwähnt, den Spaltgassammelraum von Kernbrennstoffstäben ausfüllen, also eine Länge z. B. von 30—50 cm haben und einen Außendurchmesser der Größenordnung von 1 cm. Die Füllung von Adsorbermaterial kann bei Aktivkohle, z. B. 8—30 Gramm betragen. Als Material für die Hülse kommt vorzugsweise rostfreier Stahl in Frage. Bei diesem Material empfiehlt sich, wie bereits gesagt, für die Lötung Kupfer, da bei Temperaturen über 700—800⁰C ein einwandfreies Fließen dieses Lötmaterials gewährleistet ist. Niedrigere Entgasungstemperaturen, z. B. in der Größenordnung von 500⁰C wären wohl möglich, sie erfordern dann aber für den Lötvorgang zusätzliche Flußmittel, dessen Dämpfe über die Vakuumpumpe abgesaugt werden und dort unter Umständen zu technischen Schwierigkeiten führen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung einer beliebig lang lagerfähigen, entgastes, granuliertes gasadsorbierendes Material enthaltenden, als innere Stützhülse für das Hüllrohr von Kernreaktorbrennstäben dienenden Kapsel, deren eine Stirnseite mit einem aufgesetzten Deckel und deren andere Stirnseite mit einer als Sollbruchstelle wirkenden Folie gasdicht verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, to daß in diese Stützhülse (51) an ihrer einen Stirnfläche in an sich bekannter Weise zunächst ein gasdurchlässiges Element (54) eingelegt wird, auf das, evtl. unter Zwischenlage eines Abstandsringes (56), die gasdichte Sollbruchfolie (53) und darauf ein Stützring (55) gelegt wird, der an seinem Außenrand eine Aufnahmerinne für einen Ring (57) aus Kartlotmaterial aufweist, worauf die Kapsel mit dem Adsorbermateria! (52) beschickt und darauf die andere Stirnfläche der Stützhülse (51) mit einem Deckel (58) verschlossen wird, der in seiner Außenwand ebenfalls eine Rinne zur Aufnahme eines Ringes (59) aus Hartlotmaterial aufweist, worauf diese derart zusammengebaute Anordnung im Hochvakuum ausgeheizt und nach Beendigung des Ausheizvorganges die Temperatur bis zum Fließen des Hartlotes erhöht wird, worauf unter Beibehaltung des Vakuums abgekühlt wird.

   30

   Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer beliebig lang lagerfähigen, entgastes, granuliertes gasadsorbierendes Material enthaltenden, als innere Stützhülse für das Hüllrohr von Kernreaktorbrennstäben dienenden Kapsel, deren eine Stirnseite mit einem aufgesetzten Deckel und deren andere Stirnseite mit einer als Sollbruchstelle wirkenden Folie gasdicht verschlossen ist. Brennstäbe mit einer so gefüllten Stützhülse sind beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 19 03 989 bekanntgeworden. Aufgabe dieser gasadsorbierenden Stoffe, z. B. Aktivkohle, aktives Aluminiumoxid usw. ist es, daß einerseits zusätzliche Einrichtungen zur Abführung der Spaltgase entfallen und andererseits der Innendruck in den Brennstäberr auf ein zulässiges maximales Maß begrenzt ist, so daß keine zusätzliche Verstärkung der Hüllrohrwandungen notwendig wird. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß solche Brennstäbe vorzugsweise mit sogenanntem »Vorinnendruck« hergestellt werden, d. h. sie werden bereits bei der Herstellung mit einem Innendruck von ca. 30 Atmosphären versehen, der sich dann durch die Betriebstemperatur so weit steigert, daß das Hüllrohr nur einen verhältnismäßig kleinen Differenzdruck zwischen Außendruck und Innendruck aushalten muß. Die während des Abbrandes des Kernbrennstoffes entstehenden Spaltgase erhöhen diesen Innendruck der Brennstäbe, so daß, wenn nicht besondere Maßnahmen ergriffen würden, dieser unter Umständen ein Reißen der Hüllrohre verursachen könnte. Das Entstehen eines solchen Überdruckes wird nun durch Adsorbermaterialien verhindert.

   Da zu Beginn des Abbrandes eines Kernreaktorbrennstabes noch kein zusätzlicher Druck von Spaltgasen vorhanden ist, andererseits aber das Brennstabhüllrohr so dünnwandig wie möglich gehalten werden muß, ist es bekannt geworden, dieses Hüllrohr im Bereich des Spaltgassammeiraumes durch eine innere Stützhülse druckfester zu machen und diesen Raum erst während des Reaktorbetriebes mit dem übrigen Brennstabraum zu verbinden, siehe das CH-Patent Nr. 5 14 913. Auch die DE-OS 23 39 798 zeigt eine solche Stützhülse wenn auch noch mit anderen Funktionen. Dieser Stelle ist auch der Vorschlag zu entnehmen, eine solche Hülse zusätzlich für die Aufnahme gasadsorbierender Materialien vorzusehen.

   Der Vorschlag, solche Materialien in Kapseln mit gasdurchlässigen Stirnseiten unterzubringen, jedoch nicht gleichzeitiger Ausbildung als Stützhülse, ist z. B. der DE-OS 23 23 041 und dem DE-GM 19 16 406 zu entnehmen.

   Da die Adsorptionsfähigkeit jedes Materials mit steigender Temperatur abnimmt, muß dafür Sorge getragen werden, daß diese Materialien in einem Zustand höchstmöglicher Adsorptionsfähigkeit in den Kernreaktorbrennstab eingebaut werden. Es ist bekannt, diesen Zustand durch Austreiben bereits adsorbierter Gase mittels Erwärmung herzustellen. Aber jedes Hantieren der so entgasten Adsorbermaterialien in einer Gasatmosphäre ist bereits wieder mit einer Adsorption von Gasmolekülen verbunden, so daß damit die Adsorptionsfähigkeit wieder erneut leidet. Das Entgasen der Kohle ist außerdem deshalb wichtig, damit die Kohle im Trocknungszustand in den Brennstab kommt, um feuchtigkeitsbedingte Hüllrohrschäden zu vermeiden. Durch Lagern der Kohle an der Luft, also vor dem Einsatz im Brennstab geht ein Teil der Adsorptionsfähigkeit wieder verloren.

   Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Stützhülse mit eingefülltem Adsorbermaterial herzustellen, die bis zum Einsatz in Brennstäben beliebig lange gelagert werden kann, ohne daß ein Nachlassen der Adsorptionsfähigkeit der Füllung befürchtet werden muß.

   Die Lösung dieser Aufgabe bei dem eingangs genannten Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß in diese Stützhülse an ihrer einen Stirnfläche in an sich bekannter Weise zunächst ein gasdurchlässiges Element eingelegt wird, auf das, evtl. unter Zwischenlage eines Abstandsringes, die gasdichte Sollbruchfolie und darauf ein Stützring gelegt wird, der an seinem Außenrand eine Aufnahmerinne für einen Ring aus Hartlotmaterial aufweist, worauf die Kapsel mit dem Adsorbermaterial beschickt und darauf die andere Stirnfläche der Stützhülse mit einem Deckel verschlossen wird, der in seiner Außenwand ebenfalls eine Rinne zur Aufnahme eines Ringes aus Hartlotmaterial aufweist, worauf diese derart zusammengebaute Anordnung im Hochvakuum ausgeheizt und nach Beendigung des Ausheizvorganges die Temperatur bis zum Fließen des Hartlotes erhöht wird, worauf unter Beibehaltung des Vakuums abgekühlt wird.

   Innerhalb der Stützhülse befindet sich somit im Hochvakuum bei Temperaturen von 500-1000⁰C entgaste und getrocknete Aktivkohle oder Adsorbermaterial in Granulat- oder Tablettenform. Zwischen dieser Füllung und dem gasdurchlässigen Element ist ein gasdichter Abschluß durch eine metallische Folie vorgesehen, die so bemessen ist, daß sie vom Innendruck des Brennstabes zerstörbar ist.

   Diese das Adsorbermaterial enthaltende als Stützhülse dimensionierte Kapsel enthält im Innern das Adsorbermaterial im Hochvakuum, sie ist also beliebig lagerfähig. Die Abschlußfolie ist infolge ihres geringen Durchmessers in der Größenordnung von 8—10 mm durchaus in der Lage, die dadurch gegebene Druckdiffe-