DE2915179C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstab der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Ein solcher aus der US-PS 35 80 809 bekannter Brennstab weist einen mittleren Bereich, in dem spaltbares Kernbrennstoffmaterial in Form von Kleinstkugeln mit großem und mit kleinem Durchmesser angeordnet ist, und axiale Endbereiche auf, die Brutmaterial enthalten und von dem mittleren Bereich durch Sperrschichten getrennt sind. Die Kleinstkugeln mit kleinem Durchmesser gehen durch die Zwischenräume zwischen den Kleinstkugeln mit großem Durchmesser hindurch und füllen diese Zwischenräume auf.

Aus der DE-OS 21 17 878 ist ein Verfahren zur Herstellung eines mit Pluto­ nium angereicherten Brennelementes bekannt, bei dem zwei verschiedene Frak­ tionen eines grobkörnigen Granulates aus Plutonium und Uran (oder Thorium) sowie ein feinkörniges Granulat aus Uran (oder Thorium) verwendet werden. Die grobkörnigen Granulate können mit Granulaten einer Zwischengröße ver­ mischt werden.

Ein ähnlicher Aufbau eines Brennelementes geht aus der DE-AS 20 21 846 her­ vor, wobei Partikel von drei Fraktionen unterschiedlicher Korngröße verwen­ det werden.

Obwohl Brennstäbe aus spaltbaren Kernbrennstoffmaterialien in Form von Ku­ geln unterschiedlicher Durchmesser in der Praxis zufriedenstellend arbei­ ten, haben sie insofern noch Nachteile, als angestrebt wird, solche Brenn­ stäbe nach ihrem Einsatz im Reaktor eines schnellen Brüters wieder aufzu­ bereiten, um das wiederverwendbare Spaltmaterial von den Kernspaltungspro­ dukten zu trennen und dem erneuten Einsatz zuzuführen. Mit den herkömmli­ chen Brennstäben ist dies nicht ohne weiteres möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Brennstab der im Oberbegriff des Patentanspruch 1 ange­ gebenen Gattung zu schaffen, der bei der Wiederaufbereitung auf technolo­ gisch einfache Weise in das wiederverwendbare Spaltmaterial einerseits und die Kernspaltungsprodukte andererseits aufgetrennt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß in dem Brenn­ stab selbst Sperrschichten erzeugt werden, die ebenfalls durch die Kleinstkugeln gebildet werden und das Vermischen des Materials aus dem mittleren Bereich und aus den axialen Bereichen des Brennstabes miteinander verhindern. Die verschiedenen Materialien sind also räumlich voneinander getrennt, so daß der Brennstab nur in die entsprechenden Stücke aufgeteilt und diese Stücke den verschiedenen Verarbeitungsschritten zugeführt werden müssen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Be­ zugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstabes und

Fig. 2 einen Schnitt durch den oberen Teil des Brennstabes nach Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Brennstab 1 hat eine Hülse 2 aus rost­ freiem 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 je­ weiligen 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 Brennstabs liegt üblicherweise in der Größenordnung von 0,5 cm, so daß in Fig. 2 die Breite des Brenn­ stabs zur Verdeutlichung übertrieben wiedergegeben ist.

Der mittlere Bereich 3 enthält spaltbares Material aus Kleinst­ kugeln mit zwei unterschiedlichen Größen. Die größeren Kleinst­ kugeln haben einen Durchmesser im Bereich von 825 bis 875 µm und enthalten Mischoxide von Plutonium und Uran, während die kleineren Kleinstkugeln einen Durchmesser im Bereich von 90 bis 106 µm 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 hindurchgehen und werden in diese hineingepackt, um einen Bereich bzw. eine Zone aus schmelzbarem Material mit der er­ forderlichen Packungsdichte zu schaffen. Die Zone schmelzbaren Materials wird dadurch hergestellt, daß die größeren Kleinst­ kugeln in den Stab gepackt werden, daß dann die kleineren Ku­ geln hinzugefügt werden und das Ganze durch Schütteln verdich­ tet wird, so daß die kleineren Kugeln die Zwischenräume aus­ füllen.

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 µm 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 mittelgroßen Kleinstkugeln nicht zwi­ schen den dichtgepackten größeren Kleinstkugeln hindurchgehen. Damit sie durch die Zwischenräume einer gleichmäßig gepackten Lage aus kugelförmigen Teilen mit einem größeren Durchmesser hindurchgehen, müssen kleinere kugelförmige Teile einen Durch­ messer haben, der nicht über ¹/₇ des Durchmessers der größeren Teile hinausgeht. In dem vorbeschriebenen Brennstab haben die kleineren Kleinstkugeln einen Durchmesser, welcher etwa gleich einem Drittel des Durchmessers der Kleinstkugeln in den Sperr­ schichten 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 mittel­ großen Kleinstkugeln nicht durch den ringförmigen Spalt zwi­ schen dem Pellet und der Innenwand der Hülse 2 hindurchgehen. Beispielsweise würden in einem Brennstab mit einem Innendurch­ messer von 0,508 cm Pellets mit einem Durchmesser im Bereich von 0,493 bis 0,498 cm verhindern, daß Kugeln mit einem Durch­ messer von 250 bis 300 µm in den ringförmigen Spalt hinein­ gehen. 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 ent­ haltenden Kleinstkugeln nicht in die Sperrschicht hinein können und daß auch die mittelgroßen Kleinstkugeln der Grenz­ schicht nicht in bzw. zwischen die gepackten Kleinstkugeln in den axialen Brutzonen gelangen können.

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 aufzu­ bereiten sind, wie sie bei der Erfindung verwendet werden, ist es jedoch nicht wesentlich, daß derartige Trenner oder Trenn­ schichten verwendet werden.

Um einen Brennstab gemäß der Erfindung herzustellen, wird zu­ erst das untere Brutmaterial in die Hülse 2 des Brennstabes eingebracht, an welchem bereits eine untere Abschlußkappe ange­ bracht worden ist. Es werden bekannte Einrichtungen verwendet, um das Brutmaterial zu halten, welches die untere axiale Brut­ zone 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 300 µm 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 µm, die spaltbares Material enthal­ ten, 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 µm werden dann in die Hülse abgemessen eingebracht, und die Hülse wird geschüttelt, um die kleinen Kleinstkugeln in die Zwischenräume zwischen die gepackten großen Kleinstkugeln zu packen, um eine verdichtete Spaltzone des Brennstabs zu bilden. Kugeln mittlerer Größe (mit einem Durchmesser von 250 bis 300 µm) 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 Ver­ tiefungen 11 in der Wandung der Hülse unmittelbar über dem obersten Pellet 10 a ausgebildet, um die Axialbewegung der Pellets auf ein Minimum herabzusetzen. Der obere Raum 9 er­ streckt sich über den Pellets 10, und der Brennstab wird durch eine Abschlußkappe 12 verschlossen, welche aufgeschweißt wird.

Es 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.

Claims (3)

1. Brennstab mit einem mittleren Bereich, in dem spaltbares Kernbrennstoff­ material in Form von Kleinstkugeln mit großem und kleinem Durchmesser an­ geordnet ist, wobei die Kleinstkugeln mit kleinem Durchmesser durch die Zwischenräume zwischen den Kleinstkugeln mit großem Durchmesser hindurch­ gehen und diese Zwischenräume auffüllen, und mit axialen Endbereichen, die Brutmaterial enthalten und von dem mittleren Bereich durch Sperrschichten getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperr­ schichten (6, 7) ebenfalls aus Kleinstkugeln gebildet sind, deren Durch­ messer so gewählt ist, daß dieser zwischen den Durchmessern der Kleinst­ kugeln mit großem und kleinem Durchmesser liegt und ein Vermischen des Materials aus dem mittleren (3) und aus den axialen Bereichen (4, 5) des Brennstabes (1) verhindert wird.

2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kleinstkugeln mit großem Durchmesser ein Mischoxid von Plutonium und Uran enthalten und einem Durchmesser von 825 bis 875 µm aufweisen, daß die Kleinstkugeln mit kleinem Durchmesser Uranoxid enthalten und einen Durch­ messer im Bereich von 90 bis 106 µm haben und daß die Kleinstkugeln mit einem mittleren Durchmesser Uranoxid enthalten und einen Durchmesser im Bereich von 250 bis 300 µm haben.

3. Brennstab mit einem Brutmaterial in Form von zylindrischen Pellets nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pellets (10, 10 a) einen solchen Durchmesser haben, daß der ringförmige Spalt zwischen den Pellets (10, 10 a) und der Wand des Brennstabes (1) nicht für den Durch­ tritt der Kleinstkugeln mit dem mittleren Durchmesser aureicht.