DE2915179A1

DE2915179A1 - Brennstab

Info

Publication number: DE2915179A1
Application number: DE19792915179
Authority: DE
Inventors: Kenneth Hartley; Trevor Lewis John Moulding; Norman Rostron
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1978-04-14
Filing date: 1979-04-12
Publication date: 1979-10-25
Also published as: IT7967779A0; DE2915179C2; BE875542A; FR2423032B1; IT1165663B; JPS6252272B2; US4292127A; FR2423032A1; JPS54140082A

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCH WABE DR. DR. SANDMAIR

Patentanwälte ä9 Ί b Ί /9

Postfach 860245 · 8000 München 86

Anwaltsakte: 29 991

United Kingdom Atomic

Energy Authority London/Großbritannien

Brennstab

VII/XX/Ktz

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• (089) Μ 8272	Tdeftunnw:
988273	BERGSTAFFPATENT Manchen
988274	TELEX:
983310	0524560 BERG d

Bankkonten: Hypo-Bink Manchen 4410122850 (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM Btjrec Veretnsbuik Manchen 453100 (BLZ 70020270) Postscheck Manchen 65343-808 (BLZ 70010080)

Anwaltsakte: 29 991

Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Brennstab.

In einem Kernreaktor in Form eines schnellen Brüters ist der Reaktorkern, der das spaltbare Kernstoffmaterial enthält, von einer Brutzone aus Brut- oder Spaltmaterial umgeben, welche axiale Brutzonen über und unter dem Kern aufweisen kann. Bei einer Form eines Brennstabs, welcher in einem Kernreaktor in Form eines schnellen Brüters verwendet werden kann, sind die axialen Brutzonen mit Brut- oder Spaltmaterial über und unter dem spaltbaren Kernbrennstoffmaterial in dem Stab versehen. Zweckmäßigerweise hat das spaltbare Brennmaterial die Form von Kleinstkugeln bzw. MikroSphären, die durch Vibrationsverdichtung in das Innere des Brennstabs gepackt sind. Um eine ausreichend hohe Packungsdichte in den Stäben zu gewährleisten, können Kleinstkugeln unterschiedlicher Größe verwendet werden. Bekannt ist, Kleinstkugeln mit zwei oder drei Größen zu verwenden, um die erforderliche Packungsdichte des spaltbaren Kernbrennstoffmaterials zu gewährleisten. Bei einem Brennstab mit Kleinstkugeln von zwei Größen, werden die größeren Kleinstkugeln zuerst in den Brennstab eingebracht, und dieser wird dann geschüttelt, um die Kleinstkugeln zu verdichten, bevor Kleinstkugeln, welche klein genug sind, um zwischen den größeren Kleinstkugeln hindurchzugehen, zusätzlich eingebracht werden und ebenfalls geschüttelt werden, bis das gesamte spalt-

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bare Material verdichtet ist.

Nachdem ein Brennstab in dem Reaktorkern eines schnellen Brüters bestrahlt,worden ist, wird er wieder aufbereitet, um das wiederverwendbare Spaltmaterial von den Produkten einer Kernspaltung zu trennen. Die Brutzone und das Spaltmaterial werden vorzugsweise getrennt wieder aufgearbeitet. Es ist vorteilhaft, wenn die Spalt- und Brutzonen in dem Stab getrennt bleiben.

Die Erfindung soll daher einen Brennstab schaffen, bei welchem ein Vermischen des Materials in den Spalt- und Brutzonen in einem Brennstab verhindert ist. Gemäß der Erfindung ist dies durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstands sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei der Erfindung können die Kleinstkugeln der Sperrschichten Spalt- oder Brutmaterial aufweisen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstabes für einen Kernreaktor anhand der anliegenden Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstabs; und

Fig. 2 eine Schnittansicht des oberen Teils eines in Fig. 1 dargestellten Brennstabsο

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Der in Fig. 1 dargestellte Brennstab7hat eine Hülse 2 aus rostfreiem Stahl, einen mittleren Bereich 3, welcher spaltbares Material enthält,· axiale, Brutmaterial enthaltende Brutbereiche oder -zonen 4 und 5 über und unter dem mittleren Bereich 3 und Sperrschichten 6 und 7, die den mittleren Bereich 3 von den jeweiligen Brutzonen 4 und 5 trennen. Der Brennstab weist auch einen großen (ausgefüllten) Raum 8 an seinem unteren Ende und einen kleineren (ausgefüllten) Raum 9 am oberen Ende auf. Die Gesamtlänge eines üblichen Brennstabs liegt in der Größenordnung von 220 cm, der mittlere Bereich 3 ist etwa 100 cm lang, und jede der axialen Brutzonen 4 und 5 ist etwa 30 cm lang. Der Innendurchmesser eines Brennstab liegt üblicherweise in der Größenordnung von 0,5 cm, so daß in Fig. 2 die Breite des Brennstabs zur Verdeutlichung übertrieben wiedergegeben ist.

Der mittlere Bereich 3 enthält spaltbares Material aus Kleinstkugeln mit zwei unterschiedlichen Größen. Die größeren Kleinstkugeln haben einen Durchmesser im Bereich von 825 bis 875 um und enthalten Mischoxide von Plutonium und Uran, während die kleineren Kleinstkugeln einen Durchmesser im Bereich von 90 bis 106 μπι haben. Die kleineren Kleinstkugeln können auch ein Mischoxid von Plutonium und Uran enthalten, obwohl vorzugsweise die kleinen Kleinstkugeln nur Urandioxid enthalten, um die bekannten Gefahren zu verringern, die mit dem Umgang von partikelförmigem Material einer derart kleinen Größe verbunden sind, das Plutonium enthält. Die kleineren Kleinstkugeln können durch die Zwischenräume zwischen den größeren Kugeln

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hindurchgehen und werden in diese hineingepackt, um einen Bereich bzw. eine Zone aus schmelzbarem Material mit der erforderlichen Packungsdichte zu schaffen. Die Zone schmelzbaren Materials wird dadurch hergestellt, daß die größeren Kleinstkugeln in den Stab gepackt werden, daß dann die kleineren Kugeln hinzugefügt werden und das Ganze durch Schütteln verdichtet wird, so daß die kleineren Kugeln die Zwischenräume ausfüllen.

Die axialen Brutzonen 4 und 5 enthalten Brutmaterial, in welchem es zu einem Brüten von Plutonium kommen kann. Das Brutmaterial ist Urandioxid, das vorzugsweise abgereichertes Uran enthält und es kann in Form von Pellets oder Kleinstkugeln vorliegen.

Die Sperrschichten 6 und 7 enthalten Kleinstkugeln, welche Spalt- oder Brutmaterial vorzugsweise in Form von Urandioxid enthalten können und welche einen Durchmesser im Bereich von 250 bis 300 um haben. Diese Größe liegt zwischen der Größe.der größeren Kleinstkugeln und der der kleineren Kleinstkugeln, und ist so bemessen, daß die kleineren Kleinstkugeln nicht zwischen den dicht gepackten Kleinstkugeln mittlerer Größe hindurchkommen und die mitt.elgroßen Kleinstkugeln nicht zwischen den dichtgepackten größeren Kleinstkugeln hindurchgehen. Damit sie durch die Zwischenräume einer gleichmäßig gepackten Lage aus kugelförmigen Teilen mit einem größeren Durchmesser hindurchgehen, müssen kleinerekugelförmige Teile einen Durchmesser haben, der nicht über 1/7 des Durchmessers der größeren

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Teile hinausgeht. In dem vorbeschriebenen Brennstab haben die kleineren Kleinstkugeln einen Durchmesser, welcher etwa gleich einem Drittel des Durchmessers der Kleinstkugeln in. den Sperrschichten 6 und 7 ist, und die mittelgroßen Kleinstkugeln haben einen Durchmesser, welcher etwa ein Drittel des Durchmessers der großen Kleinstkugeln ist.

Um ein Mischen der Sperrschichten 6 und 7 mit dem Material der axialen Brutzonen 4 und 5 zu vermeiden, muß die Größe der Pellets oder Kleinstkugeln entsprechend gewählt werden, um einen Durchgang von Kleinstkugeln von den Sperrschichten 6 und 7 in die axialen Brutzonen 3 und 4 zu verhindern. Wenn beispielsweise das Spaltmaterial die Form von Pellets hat, sollte der Pelletdurchmesser so gewählt sein, daß die mittelgroßen Kleinstkugeln nicht durch den ringförmigen Spalt zwischen dem Pellet und der Innenwand der Hülse 2 hindurchgehen. Beispielsweise würden in einem Brennstab mit einem Innendurchmesser von 0,508 cm Pellets mit einem Durchmesser im Bereich von 0,493 bis 0,498 verhindern, daß Kugeln mit einem Durchmesser von 250 bis 300 μπι in den ringförmigenSpalt hineingehen. Wenn die axialen Brutzonen 4 und 5 spaltbares Material in Form von Kleinstkugeln enthalten, muß der Durchmesser dieser Kleinstkugeln so gewählt sein, daß die das Brutmaterial enthaltenden Kleinstkugeln nicht in die Sperrschicht hinein können und daß auch die mittelgroßen Kleinstkugeln der Grenzschicht nicht in bzw. zwischen die gepackten Kleinstkugeln in den axialen Brutzonen gelangen können.

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Ein aus gewirktem Material hergestellter Trenner kann auf der Oberseite der Sperrschicht aus mittelgroßen Kugeln angeordnet werden, um die Kugeln in dem mittleren Bereich des Brennstabs zu halten. Ein derartiger Trenner ist vorzugsweise aus Molybdän hergestellt. Wenn keine molybdänenthaltende Bestandteile in Brennstäben vorgesehen sind, welche anschließend wieder aufzubereiten sind, wie sie bei der Erfindung verwendet werden, ist es jedoch nicht wesentlich, daß derartige Trenner oder Trennschichten verwendet werden.

Um einen Brennstab gemäß der Erfindung herzustellen, wird zuerst das untere Brutmaterial in die Hülse 2 des Brennstabes eingebracht, an welchem bereits eine untere Abschlußkappe angebracht worden ist. Es werden bekannte Einrichtungen verwendet, um das Brutmaterial zu halten, welches die untere axiale Brutzone 5 bildet, so daß es nicht in den unteren Raum 8 gelangt. Mittelgroße Kleinstkugeln bzw. solche mit einer Zwischengröße, mit einem Durchmesser von etwa 250 bis 300μ werden in die Hülse eingebracht und durch Vibrationsverdichtung verdichtet, um eine untere Sperrschicht 7 zu bilden. Große Kleinstkugeln mit einem Durchmesser von 825 bis 875 um , die spaltbares Material enthalten, werden dann in die Hülse eingebracht und durch Schütteln verdichtet, um sie gleichmäßig in den mittleren Bereich 3 zu packen. Kleine Kleinstkugeln mit einem Durchmesser von 90 bis 106 ]im werden dann in die Hülse abgemessen eingebracht, und die Hülse wird geschüttelt, um die kleinen Kleinstkugeln in die Zwischenräume zwischen die gepackten großen Kleinstkugeln

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zu packen, um eine verdichtete Spaltzone des Brennstabs zu bilden. Kugeln mittlerer Größe (mit einem Durchmesser von 250 bis 300 μπι)werden dann in die Hülse eingebracht und durch Schütteln verdichtet, um die obere Sperrschicht 6 zu bilden und das Brutmaterial wird dann über der Sperrschicht 6 angeordnet, um die obere Brutzone 4 zu bilden.

In Fig. 2 ist der obere Teil eines Brennstabs dargestellt, in welchem das Brutmaterial die Form von Pellets hat. Der nicht dargestellte ringförmige Spalt zwischen den Pellets 10 und der Wandung der Hülse 2 .ist nicht groß genug, als daß die Kugeln der Zwischengröße das heißt die mittelgroßen Kugeln hindurchgehen können. Wenn eine ausreichende Anzahl Pellets 10 in den Brennstab eingesetzt worden sind, um die geforderte Länge der oberen axialen Brutzone 4 zu schaffen, werden Vertiefungen 11 in der Wandung der Hülse unmittelbar über dem obersten Pellet 10a ausgebildet, um die Axialbewegung der Pellets auf ein Minimum herabzusetzen. Der obere Raum 9 erstreckt sich über den Pellets 10, und der Brennstab wird durch eine Abschlußkappe 12 verschlossen, welche aufgeschweißt wird.

Gemäß der Erfindung ist somit ein Brennstab für Kernreaktoren in Form von schnellen Brütern geschaffen, der Spalt- und Brutzonen enthält, in welchen es nicht zu einem Mischen des Spalt- und Brutmaterials kommt.

Ende der Beschreibung

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Claims

Patentansprüche

Iy Brennstab mit einem mittleren Bereich mit spaltbaren Kernbrennstoff material in Form von Kleinstkugeln mit großem und kleinem Durchmesser, wobei die Kleinstkugeln mit kleinem Durchmesser durch die Zwischenräume zwischen den Kugeln mit großem Durchmesser hindurchgehen und in diese hineingepackt sind, und mit axialen Bereichen, die Brütermaterial enthalten, über und unter dem mittleren Bereich, dadurch ge k e η nz e i c hn e t, daß Sperrschichten (6,7) über und unter dem mittleren Bereich (3) vorgesehen sind, um den mittleren Bereich (3) von den axialen Bereichen (4,5) zu trennen, und daß die Sperrschichten (5,6) Kleinstkugeln mit einem Durchmesser aufweisen, der zwischen den Durchmessern der Kleinstkugeln mit großem und kleinem Durchmesser liegt ., um ein Vermischen des Materials in dem mittleren (3) und den axialen Bereichen (4,5) des Brennstabs (1) zu verhindern.
2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekenn ze ic hn e t, daß die Kleinstkugeln mit großem Durchmesser ein Mischoxid von Plutonium und Uran enthalten und einen Durchmesser von 825 bis 875 μπι aufweisen, daß die Kugeln mit kleinem Durchmesser Uranoxid enthalten und einen Durchmesser

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Bankkonten: Hypo-Bank Manchen 4410122 850 (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM Bajrec Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) 65343-808 (BLZ 70010080)

(089) 93 82 72 Tetefnmnw: 988273 BERGSTAPFPATENT München 928274 TELEX: 983310 0524560 BERG d

im Bereich von 90 bis 106 μΐη haben, und daß die Kleinstkugeln mit einem mittleren Durchmesser Uranoxid enthalten und einen Durchmesser im Bereich von 250 bis 300 μπι haben.
3. Brennstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brutmaterial in zylindrischen Pellets (10,10a) mit einem solchen Durchmesser enthalten ist, daß der ringförmige Spalt zwischen den Pellets (10,10a) und der Wand des Brennstabs (1) nicht ausreicht, um die Kleinstkugeln mit dem mittleren Durchmesser durchzulassen.

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