DE3148136C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernbrennstoffpellet von im wesentlichen zylindrischer Form, dessen zwei im we­ sentlichen ebenen Grundflächen je eine zentrale, axiale Ver­ tiefung aufweisen, deren Durchmesser in axialer Richtung zur Pelletmitte hin abnimmt und bei dem der Durchmesser der Ver­ tiefung kleiner oder höchstens gleich groß ist als bzw. wie die Hälfte des Durchmessers des Pellets.

Ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor besteht be­ kanntlich aus einer Anzahl von Kernbrennstoffpellets, von denen jedes im wesentlichen die Form eines kleinen Zylinders aufweist, deren Durchmesser und Länge größenordnungsmäßig im Bereich von ungefähr 1 cm liegt und die aus angereichertem bzw. synthetisiertem UO₂ (Uranoxid) hergestellt sind und einer rohrförmigen, die Pellets umgebenden Umhüllung aus einer Zink- oder Stahllegierung, die an den Enden verschlos­ sen ist. Eine Anzahl derartiger rohrförmiger Brennstoffele­ mente, die mittels radialer Abstandshalter, elastischer Ele­ mente und anderen konstruktiven Teilen zusammengesetzt sind, bildet den Reaktorkern.

Ein wesentliches Problem beim Betrieb eines Kernreak­ tors besteht darin, daß die im kalten Zustand im wesentlichen zylinderförmigen Kernbrennstoffpellets aufgrund ihrer Erhit­ zung im Betrieb eine Verformung gegenüber der Grundform er­ leiden, die eine gegenseitige Beeinflussung von Pellets und Umhüllung mit sich bringt, insbesondere im Bereich der Pel­ let-Enden.

Aus der DE-AS 12 07 022 ist ein Kernreaktorbrennstoff­ element bekannt, bei dem jedes Kernbrennstoffpellet an seinen beiden Grundflächen je eine zentrale, axiale Vertiefung auf­ weist, deren Durchmesser in axialer Richtung zur Pelletmitte hin abnimmt und deren Durchmesser nicht größer ist als die Hälfte des Pellets.

Das bekannte Kernbrennstoffpellet ist aufgrund seiner Formgebung durchaus geeignet, die Hitzeverformung und die daraus resultierende gegenseitige Beeinflussung mit der Um­ hüllung des Kernbrennstoffelements im Vergleich zu einem rein zylinderförmigen Kernbrennstoffpellet zu vermindern, die Er­ gebnisse sind jedoch, verglichen mit dem erwünschten Effekt, noch nicht zufriedenstellend.

Weiter ist aus der DE-OS 25 11 054 ein Kernbrennstoff­ element bekannt, bei dem die einzelnen Pellets an ihren Grundflächen sphärische Vertiefungen aufweisen. Auch hier gilt, daß durch die ergriffene Maßnahme die gegenseitige Be­ einflussung von Pellet und Umhüllung vermindert ist, das Er­ gebnis jedoch noch nicht als optimal angesehen werden kann.

Weitere bekannte Formgebungen, um bei einem Kernbrenn­ stoffpellet die Hitzeverformung zu vermindern, bestehen dar­ in, entweder das zylindrische Kernbrennstoffpellet mit einer durchgehenden zylindrischen Bohrung zu versehen oder aber ausgehend von den Grundflächen des Pellets im wesentlichen konisch zulaufende Bohrungen einzubringen, deren Tiefe weni­ ger als die halbe Länge des Kernbrennstoffpellets beträgt und deren Tiefe größer ist als deren größter Durchmesser.

Derartige Formgebungen des Kernbrennstoffpellets lassen jedoch insofern zu wünschen übrig, als das die räumliche Ver­ teilung des verbleibenden Materials sowohl im Hinblick auf den Temperaturverlauf als auch im Hinblick auf den Neutronen­ fluß im Pellet nicht optimal ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Kernbrennstoffpellet von im wesentlichen zylindri­ scher Form anzugeben, das bei minimaler Hitzeverformung eine möglichst gute räumliche Verteilung des Materials in bezug auf Temperatur und Neutronenfluß aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Vertiefungen im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfs aufweisen, bei dem das Verhältnis zwischen dessen Tiefe und maximalem Durch­ messer kleiner oder gleich Eins ist, und daß die kegelstumpf­ förmigen Vertiefungen in ihrem Scheitelbereich durch eine sphärische Fläche ausgerundet sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Kernbrennstoffpellets sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird das der Erfindung zugrundeliegende Problem, einige bekannte Versuche zu dessen Lösung und Aus­ führungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläu­ tert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Hülse zur Aufnahme von Kern­ brennstoffpellets,

Fig. 2 ein übliches Brennstoffpellet von im wesentlichen zylindrischer Form,

Fig. 3 Kurven F und T, welche die Stärke des Neutronenflusses und die Temperatur­ verteilung im Pellet angeben;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Hitze­ verformung des in den Fig. 2 und 3 gezeigten üblichen Pellets;

Fig. 5 bis 10 bekannte Ausführungsformen eines Brennstoffpellets zum besseren Verständ­ nis der durch die erfindungsgemäße Ver­ besserung erreichten Vorteile, und

Fig. 11 einen Schnitt längs des Durchmessers durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffpellet.

Wie Fig. 1 zeigt, sind die UO₂-Pellets axial in einem Rohr (Hülse) mit einem gewissen Radialspiel angeordnet, das ihre Einlagerung und ihre radiale Ausdehnung ermöglicht. Ein geeignetes Axialspiel stellt zusammen mit einer Druckfeder zur Verhinderung von Bewegungen während des Transports und Betriebs die axiale Ausdehnung im Hitzezustand sicher.

Während sich das Pellet in dem Reaktor in Betrieb befindet (Fig. 2), wird infolge des Neutronenflusses (siehe Kurve F in Fig. 3) Leistung erzeugt, und es wird ein Wärmefluß zu der außerhalb der Hülse fließenden Kühlflüssigkeit (Wasser) hervorgerufen.

Infolge der Leistungserzeugung und der Kühlung stellt sich in dem Pellet eine Temperaturverteilung ein, die andeutungsweise durch die Kurve T von Fig. 3 dargestellt ist.

Die axiale und radiale Wärmeausdehnung ruft bei den in den Fig. 2 und3 gezeigten üblichen Pellets eine Verformung hervor, wie in Fig. 4 darge­ stellt ist. Dieser Umstand bringt eine mehr oder weniger ausgeprägte Wechselwirkung mit der Hülse mit sich, ins­ besondere im Zusammenhang mit den Pelletenden. Um die Hitzeverformung und damit diese Wechselwirkung herab­ zusetzen, ist es bekannt, sich einer Kantenbrechung (siehe Fig. 5) oder Ausdehnungshohlräumen an beiden Stirnflächen, Fig. 6 und 7, oder an nur einer Stirn­ fläche, Fig. 8, zu bedienen. Jedoch erweisen sich die Versuchsergebnisse nicht als sehr zufriedenstellend.

Die Lösung von Fig. 9, ein zentrales Loch in dem Pellet, zeigt besser erfolgversprechende Ergebnisse. Sie wird jedoch kommerziell nicht angewendet, weil sie sowohl

• (a) eine geringfügig höhere Spaltmaterialanrei­ cherung (z. B. Uran 235) erfordert, um den gegebenenfalls auftretenden hohen Prozentsatz an leerem Raum auszu­ gleichen, als auch
• (b) der dadurch längs dem Brennstoff­ stab ausgebildete Kanal Massenbewegungen infolge von UO₂-Fragmentierung, -Spaltbildung, usw. begünstigen kann, wodurch die Konfiguration des Spaltstoffaufbaus verändert werden kann.

Jedenfalls ist es aber nützlich, auf einen Vor­ teil der in der Entfernung eines Teils des Pellets be­ stehenden Lösung von Fig. 9 hinzuweisen, der vom Neutronenfluß her wenig interessant erscheint und andererseits spürbar zur Wärmeausdehnung beiträgt, siehe Fig. 3, Kurven F und T. Die Beibehaltung die­ ses Vorteils kann zusammen mit der Verminderung des Nachteils (a) und der Beseitigung des Nachteils (b), wie sie oben erwähnt sind, durch Rückgriff auf die Pelletform von Fig. 10 erreicht werden.

Beim Vergleich der letzteren mit der Fig. 9 zeigt sich, daß es zur Erleichterung der Herstellung des teilweise durchbohrten Pellets von Fig. 10 dienlich ist, den Querschnitt der beiden Löcher zur Pelletmitte hin zu vermindern, wodurch im Querschnitt zwei U-Formen mit Durchmesser d und Tiefe h erhalten werden. Das Vorstehende bringt es mit sich, daß im Ergebnis mindesten h/d < 1 gelten muß, damit Fig. 10 als ein optimierter Fall der Form von Fig. 9 angesehen werden kann. Der wesentliche Un­ terschied zwischen der in Fig. 6 und 7 dargestellten Form zu derjenigen von Fig. 10 besteht in dem bei letzterer vorhandenen höheren h/d-Verhältnis.

Die Lösung von Fig. 10 kann auch zusätzlich in die in Fig. 5, 6 und 7 (und möglicherweise 8, wenn ein einziges U-Loch in dem Pellet von Fig. 10 be­ trachtet wird) dargestellten eingefügt werden.

Die Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber der in der obenerwähnten Fig. 10 dargestellten Aus­ führungsform dar.

Die den Gegenstand der Erfindung bildende, in Fig. 11 dargestellte geometrische Form unterscheidet sich von dem Bekannten durch die speziellen Werte der damit zusammenhängenden geometrischen Ver­ hältnisse

h/d < 1 und d/D < ¹/₂.

Durch dieses Verhältnis dürfte es möglich sein, die optimale Lösung für eine Entfernung jenes Teils des Materials zu erhalten, der vom Neutronenfluß und von der Temperatur her wenig ausgenutzt ist, um die in Fig. 4 dargestellten Hitzeverformungen zu vermin­ dern. Ein Vergleich mit anderen Lösungen erweist sich als nützlich: Bei den in Fig. 5, 6 und 7 dargestellten Lösungen ist ein Teil des Materials gegen den Umfangsbereich des Pellets hin entfernt, was sich vom Neutronen­ fluß her als nützlich erweist, nicht aber bei hoher Temperatur; bei dem in Fig. 10 dargestellten Fall wird möglicherweise auch solches Material ent­ fernt, das an der Kantenverformung des Pellets nicht teilnimmt und es können Schwierigkeiten bei der Her­ stellung auftreten.

Außerdem kann sich sowohl bei Fig. 9 als auch bei Fig. 10 der unter der Annahme, daß h etwa gleich ^L /₂ ist, entfernte Rauminhalt selbst bei kleinen Werten von d als ziemlich groß erweisen. Um die axiale Ausdehnung der in Fig. 9 und 10 dargestellten Formen zu vermindern, kann es notwendig sein, auch auf die Lösungen von Fig. 6 und 7 zurückzugreifen.

Dagegen ist im Fall von Fig. 11 der Durchmesser d weniger kritisch, und es bleibt der entfernte Raum­ inhalt in Anbetracht der Tatsache, daß die mit dieser Konfiguration verbundenen Werte von h nicht groß sind, unverändert. Im Fall der Fig. 11 ist es ferner möglich, zusätzlich die in Fig. 5, 6 und 7 dargestellten Lösungen zu ergreifen.

So kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung die in Fig. 11 gezeigte kegelstumpfförmige Ver­ tiefung mit der in Fig. 5 gezeigten seitlichen Abfasung am Übergang der Grundflächen des Pellets in deren Mantelfläche kombiniert werden, so daß jede der Grundflächen mit einer seitlichen Fase versehen ist, deren Erstreckung in Richtung des Pelletdurchmessers ¹/₁₀ bis ¹/₅₀ des Pelletdurchmessers beträgt.

Weiterhin kann die in Fig. 11 dargestellte kegelstumpf­ förmige Vertiefung mit der in Fig. 6 gezeigen sphärischen Vertiefung in der Grundfläche kombiniert werden, wobei dann die kegelstumpfförmige Vertiefung nicht von der planen Grund­ fläche des zylindrischen Pellets, sondern dementsprechend vom Grund der sphärischen Vertiefung ausgeht. die sphärische Ver­ tiefung ist dabei so gewählt, daß das Verhältnis zwischen der die Krümmung des sphärischen Hohlraums bestimmenden Tiefe und der Länge der Sehne kleiner ist als ¹/₅ und das Verhältnis zwischen der Länge der Sehne des sphärischen Hohlraums und dem Durchmesser des Pellets zwischen 0,5 und 0,9 liegt.

Schließlich kann die in Fig. 11 gezeigte kegelstumpf­ förmige Vertiefung auch mit dem in Fig. 7 gezeigten Hohlraum kombiniert werden, der einen im wesentlichen ebenen Boden aufweist und dessen Seitenwand im wesentlichen die Form wie­ derum eines Kegelstumpfs aufweist, wobei jedoch das Verhält­ nis zwischen der Tiefe dieses Hohlraums und dessen Durchmes­ ser weniger als ¹/₅ beträgt, wogegen das Verhältnis zwischen dem Durchmesser dieses Hohlraumes und dem Durchmesser des Pellets ebenso wie im vorhergehenden Fall mit der sphärischen Vertiefung zwischen 0,5 und 0,9 liegt.

In dem Fall der Fig. 11 kann jedoch ein durch die Dimensionen (d′) und (h′) gekennzeichnetes Kanten­ brechen ausreichend sein, um den Vorteil einer be­ trächtlichen Verminderung der Axialausdehnung des Pellets zu erhalten.

Die in Verbindung mit der den Gegenstand der Erfindung darstellenden Lösung entfernten Rauminhalte sind allgemein klein (1 bis 3% des Pellets) und hän­ gen sowohl von dem L/D- als auch dem h/d-Verhältnis ab. Es ist zu beachten, daß bei einer Erhöhung von L der Wert des entfernten Minimalvolumens prozentual abnimmt, wie in Fig. 5, 6 und 7 dargestellt; bei Fig. 9 ist dies nicht der Fall, und es braucht auch nicht bei Fig. 10 der Fall zu sein, wenn sich h als einen merklichen Teil von L erweist.

Bei der Erfindung hängen jedoch die Abmessungen von h und d nur mit D zusammen, indem für L üblicher­ weise realisierte Werte angenommen werden (L/D ≅ 1, oder <1).

Claims (6)

1. Kernbrennstoffpellet von im wesentlichen zylindri­ scher Form,

• a) dessen zwei im wesentlichen ebenen Grundflächen je eine zentrale, axiale Vertiefung aufweisen,
• b) deren Durchmesser in axialer Richtung zur Pelletmitte hin abnimmt, und
• c) bei dem der Durchmesser der Vertiefung kleiner oder höchstens gleich groß ist als bzw. wie die Hälfte des Durch­ messers des Pellets,

dadurch gekennzeichnet,

• d) daß die Vertiefungen im wesentichen die Form eines Kegelstumpfs aufweisen,
• e) bei dem das Verhältnis zwischen dessen Tiefe und maximalem Durchmesser kleiner oder gleich Eins ist, und
• f) daß die kegelstumpfförmigen Vertiefungen in ihrem Schei­ telbereich durch eine sphärische Fläche ausgerundet sind.

2. Kernbrennstoffpellet nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• g) die Grundflächen seitlich mit einer Fase versehen sind und
• h) die seitliche Erstreckung der Fasen in Richtung des Durch­ messers des Pellets ¹/₁₀ bis ¹/₅₀ des Durchmessers beträgt.

3. Kernbrennstoffpellet nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• i) die Grundfläche zusätzlich zu der kegelstumpfförmigen Ver­ tiefung mit einer sphärischen Vertiefung versehen ist,
• j) wobei das Verhältnis zwischen der Krümmung der sphärischen Vertiefung und der Länge ihrer Sehne kleiner ist als ¹/₅ und
• k) wobei weiter das Verhältnis zwischen der Länge der Sehne der sphärischen Vertiefung und dem Durchmesser des Pellets zwischen 0,5 und 0,9 liegt.

4. Kernbrennstoffpellet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• l) wenigstens eine der beiden Grundflächen zusätzlich zu der kegelstumpfförmigen Vertiefung mit einer einen im wesentli­ chen ebenen Boden aufweisenden Vertiefung versehen ist,
• m) wobei deren Seitenwand im wesentlichen die Form eines Ke­ gelstumpfes aufweist, und
• n) wobei das Verhältnis zwischen der Tiefe dieser Vertiefung und dem Durchmesser weniger als ¹/₅ beträgt,
• o) wogegen das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Ver­ tiefung und dem Durchmesser des Pellets zwischen 0,5 und 0,9 liegt.

5. Kernbrennstoffpellet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• p) jede der im wesentlichen kegelstumpfförmigen Vertiefungen der beiden Pelletgrundflächen an ihrer größeren Basis mit einer Fase in die Grundflächen übergeht, und
• q) die seitliche Erstreckung dieser Fase ¹/₂ bis ¹/₁₀ des größeren Durchmessers dieser Vertiefung beträgt.