DE3625072A1 - Brennstoffelemente fuer brutreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Brennstoffelemente für Brutreaktoren, die Spaltproduktgettereinrichtungen umfassen.

Schnelle Reaktoren und insbesondere schnelle Brutreaktoren umfassen im allgemeinen einen zentralen Kern aus spaltbarem Material, umgeben von einer Decke aus Brutmaterial. In einer Konstruktionsart besteht der Kern aus einer Anzahl von Unteranordnungen, die jeweils eine Vielzahl von Brennstoff­ stiften oder -elementen enthalten. Dieser Brennstoffstift ist ein geschlossener Zylinder und enthält eine Säule aus Brenn­ stoffmaterial, typischerweise gemischtes Uran- und Plutonium­ oxid, mit Säulen aus Brutmaterial, typischerweise Uranoxid, angeordnet oberhalb und unterhalb der Brennstoffsäule, um eine axiale Decke zu bilden. Spaltprodukte, die infolge der Spaltung von spaltbaren und brütbaren Materialien erzeugt werden, werden während des Reaktorbetriebs in dem Brennstoff­ stift zurückgehalten.

Cesium ist einer der in größter Menge vorkommenden Spalt­ produkte, die während des Spaltprozesses erzeugt werden. Mit einer niedrigen Schmelztemperatur und einem hohen Verdamp­ fungsdruck bei typischen Oxidbrennstoffbetriebstemperaturen bei schnellen Flüssigmetallbrutreaktoren verändert Cesium leicht sowohl seine radiale wie auch seine axiale Stellung innerhalb des Brennstoffstiftes. Infolge der Wanderung des Cesiums neigt Cesium dazu, in stark lokalisierten Bereichen innerhalb des Brennstoffstiftes sich anzusammeln. Diese örtlichen Cesiumansammlungen sind oft mit örtlichen Mantel­ belastungen, Brennstoffdeformationen, Frakmentationen von Brennstoff sowie von Abdeckpellets verbunden. Man nimmt an, daß in einigen Fällen lokalisierte Cesiumkonzentration für vorzeitiges Versagen des Mantels verantwortlich war.

Bisherige Versuche zur Steuerung der Effekte der Cesium­ wanderung sind in zwei Kategorien aufgeteilt worden. Die erste Kategorie umfaßt Veränderungen in den Brennstoff- und/oder Abdeckspezifikationen. Korrelationen, die das Cesiumwanderungsphänomen beschreiben, zeigen, daß die Menge des Cesiums, die in einer gemischten Oxidbrennstoffsäule wandert, reduziert werden kann durch Erhöhung des Sauer­ stoff-zu-Metall-Verhältnisses in dem Brennstoff. Jedoch ist das Ausmaß, bis zu dem dieses Verfahren verwendet werden kann, außerordentlich eingeschränkt, infolge eines erhöhten Angriffs auf die Ummantelung bei erhöhtem Sauerstoff-zu- Metall-Verhältnis in dem Brennstoff. Ein zweiter Weg zur Änderung der Spezifikation ist die Verwendung von großen Zwischenräumen zwischen Pellet und Ummantelung in den Ab­ decksäulen, um Volumenänderungen aufzunehmen, die mit den Reaktionsprodukten des Cesium-Abdeck-Materials verbunden sind. Dieser Lösungsweg ist auch begrenzt insofern, als mit abnehmenden Durchmesser der Abdeckung der Brutwirkungsgrad der Reaktorkonstruktion ebenfalls abnimmt.

Der zweite Hauptlösungsweg zur Steuerung des Spaltproduktes Cesium ist die Verwendung eines Gettermaterials, wie bei­ spielsweise Titanoxid oder Niobiumoxid sowohl an den oberen wie auch an den unteren Enden der spaltbaren Brennstoffsäule. Dies ist der Lösungsweg, der in der US-Patentschrift 42 57 847 beschrieben wird, und weitere Einzelheiten be­ züglich der Brennstoffelemente der mit der Cesiumänderung verbunden Probleme sollten dieser Druckschrift entnommen werden. Bei diesem Lösungsweg werden Pellets niedriger Dichte aus Niobiumoxid oder Titanoxid zwischen der Brennstoffsäule und der oberen und der unteren Abdecksäule angeordnet, um das Spaltprodukt Cesium einzufangen. Dieser Lösungsweg beinhaltet jedoch einen Nachteil beim Brutbetrieb des Brennstoffes insofern, als dann, wenn ausreichend Gettermaterial für die Steuerung des Cesiums benutzt wird, die Abdeckmaterialien von dem aktiven Kernbereich weiter weg liegen und der Neutronen­ fluß reduziert ist. Außerdem würden parasitären Neutronen­ reaktionen mit dem Gettermaterial und angesammeltes Cesium dazu neigen, den Neutronenfluß in dem Abdeckbereich zu vermindern und dadurch den Brutwirkungsgrad zu reduzieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine andere Anordnung zu schaffen, die die Wanderung des Spaltproduktes Cesium stört, ohne daß ein nachteiliger Effekt auf die Arbeitslebensdauer des Brennstoffstiftes auftritt.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptan­ spruchs, also durch ein Brutreaktorbrennstoffelement, das eine rohrförmige Ummantelung umfaßt, die an jedem Ende durch einen Endstopfen hermetisch abgedichtet ist, wobei ein innerer Teil der Ummantelung einen Brennstoffraum bildet, der mit einer Säule aus spaltbarem Material befüllt ist, wobei sich eine obere und eine untere Abdeckung aus Brutmaterial axial gemeinsam mit der Säule aus spaltbarem Material inner­ halb der Ummantelung erstreckt, und wobei ein Cesiumgetter zumindest am oberen Ende der oberen Abdeckung angeordnet ist, wobei die Gettereinrichtung zumindest in einen wesentlichen Teil Siliziumkarbidmaterial umfaßt, um die Cesiumwanderung dorthin zu sammeln und zu isolieren.

Vorzugsweise besteht die Gettereinrichtung aus einem Folien­ substrat aus rostfreiem Stahl, das mit Siliziumkarbid be­ schichtet und dann schraubenförmig aufgerollt und in den Brennstoffstiftabstand oberhalb des obersten Pellets der oberen Abdeckung installiert ist. Während des Betriebs wird das Cesium zu dem Siliziumkarbidmaterial wandern und auf diesem Material gesammelt und isoliert werden-.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 in einer gebrochenen, longitudinalen Querschnitts­ ansicht eine Ausführungsform eines Brennstoff­ stiftes;

Fig. 2 eine Frontansicht eines Foliensubstrats in planarer Form vor dem Einrollen, um eine Art von Getter­ element zu bilden;

Fig. 3 eine Kantenansicht der planaren Form von Fig. 2;

Fig. 4 eine Endansicht eines Getterelementes in Schrauben­ oder Helixform, erlangt durch Aufrollen des pla­ naren Elementes gemäß Fig. 2 und 3;

Fig. 5 eine longitudinale Schnittansicht eines angefüllten Rohrraums alternativer Ausführung;

Fig. 6 eine longitudinale Schnittansicht einer alter­ nativen Plenumfeder; und

Fig. 7 und 8 alternative Formen, die die Siliziumkarbidpellets annehmen können, um als ein Cesiumgetter zu ar­ beiten.

Eine Form eines Brennstoffstiftes 10, die in Fig. 1 erläutert ist, umfaßt eine rohrförmige Ummantelung oder Umhüllung 12, an beiden Enden durch Endstopfen 14 und 16 abgedichtet und mit einer gestapelten Anordnung aus Pellets 18 aus spaltbarem Brennstoff versehen, die mehr oder weniger in der Höhe des Stiftes zentriert und sandwichartig zwischen einer Serie von Pellets 20 aus Brutmaterial angeordnet sind, welche die obere Abdeckung bilden, und eine Serie von Pellets 22 aus Brut­ material, die die untere Abdeckung bilden. Ein Plenumrohr 24 nahe dem oberen Ende des Stiftes liefert einen leeren Raum, um abgegebene Spaltproduktgase aufzunehmen, und eine Plenum­ kompressionsfeder 26 ist zwischen der Endkappe 16 und dem Plenumrohr 24 vorgesehen.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist das Getterelement, das allgemein mit 28 bezeichnet ist, an dem oberen Ende der oberen Abdeckung 20 angeordnet und zwischen der Abdeckung und dem Plenumrohr 24 eingeschoben. Diese besondere Form des Getterelementes ist in einer solchen Weise konstruiert, wie sie am besten in Verbindung mit den Fig. 2 bis 4 verstanden werden kann. Ein Foliensubstrat 30 aus einem Material wie beispielsweise rostfreier Stahl ist mit Abstandselementen, wie beispielsweise Eindrückungen 32 in einer oder in beiden Oberflächen der Folie versehen und dann an zumindest einer Oberfläche mit einer Siliziumkarbidbe­ schichtung 34 versehen. Die ebene Folie wird dann zu einer Spirale aufgewickelt, wie in Fig. 4 dargestellt. Es ist zu bemerken, daß die longitudinalen Kanten der ebenen Form der Folie vorzugsweise mit Zacken 36 versehen sind, so daß in der gerollten Form beide Enden der Helix gezackt sind, um den Gasdurchtritt zu fördern.

Bei einer anderen Ausführungsform ist das Plenumrohr 24 (Fig. 5) mit Gasflußlöchern 38 versehen und zumindest auf die innere Oberfläche des Plenumrohrs ist eine Siliziumkarbid­ beschichtung 40 aufgebracht. Alternativ oder in Verbindung mit dem beschichteten Plenumrohr ist die Plenumfeder 26 (Fig. 6) mit einer Silziumkarbidbeschichtung 42 auf ihren Windungen versehen. Diese eine der Ausführungsformen von Fig. 5 und Fig. 6 oder auch beide können in Verbindung mit einem separaten Getter 28 verwendet werden.

In Fig. 7 nimmt ein alternatives Getter die Form eines Siliziumkarbidpellets 44 an, welches longitudinal an in Abstand liegenden Stellen um seinen Umfang herum geschlitzt ist, um eine erweiterte Oberflächengröße zu liefern. In Fig. 8 ist das Siliziumkarbidpellet 48 mit einer longitudi­ nalen Bohrung 50 versehen, um eine vergrößerte Oberfläche zu liefern.

Im Betrieb liefert das Getter, in welcher Form auch immer, eine Einrichtung zum Sammeln und Isolieren des Spaltproduktes Cesium, wodurch die Lebensdauer des Brennstoffstiftes ver­ bessert wird, in dem eine Reaktion zwischen dem Cesium und dem gemischten Oxidbrennstoff und den Abdeckmaterialien verhindert wird.

Bestrahlungsteste mit Siliziumkarbidpellets haben gezeigt, daß dieses Material ein ausgezeichnetes Cesiumgetter ist, und dieses Material hat seine Fähigkeit bewiesen, Cesium aus­ reichend über die Oberseite der Brennstoffsäule hinauszu­ ziehen, um eine Reaktion sowohl mit den Brennstoff- wie auch mit den Brut-Abdeckmaterialien zu verhindern. Eine Volumen­ erhöhung tritt bei dem Siliziumkarbidgettermaterial auf, während das Cesium absorbiert wird, und um diese Volumen­ änderung aufzunehmen, wird ein Gettermaterial niedriger Dichte vorgezogen, welches eine große Oberfläche liefert. Die Formen des Getters, die in den Zeichnungen dargestellt sind, erfüllen die Voraussetzungen einer niedrigen Dichte und einer großen Oberfläche.

Schließlich sei erwähnt, daß die Vorteile, die von der vorliegenden Erfindung hergeleitet werden können, folgendes umfassen: (1) Steuerung und Isolation des Spaltproduktes Cesium, (2) verbesserte Reaktorsicherheit durch Verringerung des Freisetzens von Spaltprodukten, wenn ein schwerer Unfall auftreten sollte, (3) erhöhte Neutronenwirtschaftlichkeit durch Isolation des Spaltproduktes Cesium außerhalb des aktiven Kerns und der Abdeckbereiche, wodurch parasitäre Neutronenreaktionen reduziert werden, (4) vereinfachte Wiedergewinnung eines erheblichen Teils des Spaltproduktes Cesium während der Aufarbeitung, und (5) verbesserte Lebens­ dauer für den Brennstoffstift durch Verhinderung von Cesium­ brennstoff- und Cesiumabdeckwechselwirkungen.

Claims (6)

1. Brutreaktorbrennstoffelement bestehend aus einer rohrförmigen Ummantelung (12) die an jedem Ende durch Endstopfen (14, 16) hermetisch abgedichtet ist, wobei ein innerer Teil der Ummantelung (12) einen Brennstoff­ raum bildet, der mit einer Säule aus spaltbarem Material (18) gefüllt ist, und mit einer oberen (20) und einer unteren (22) Abdeckung aus Brutmaterial, axial in Tandem mit der Säule aus spaltbarem Material (20) innerhalb der Ummantelung (12) angeordnet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Cesiumgetter (28) zumindest am oberen Ende der oberen Abdeckung (20) angeordnet ist, und daß das Getter (28) zu einem zumindest wesentlichen Teil Silizium­ karbidmaterial (34) zum Sammeln und Isolieren von wanderndem Cesium auf dem Material umfaßt.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spaltbare Material eine Mischung aus PuO₂ und UO₂ umfaßt, und daß das Brutmaterial UO₂ umfaßt.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Getter ein helical-aufgerolltes Substrat aus einem Material darstellt, das mit Siliziumkarbid be­ schichtet ist.

4. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Material rostfreien Stahl umfaßt.

5. Element nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Oberflächenabstandselemente (32) besitzt, die darin geformt sind, um aufeinanderfolgende Windungen des aufgerollten Substrats im Abstand zu­ einander zu erhalten und so eine Volumenexpansion des Getters zu ermöglichen.

6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffelement (10) ein Plenumrohr (24) und eine Plenumfeder (26) am oberen Ende des Elements (10) oberhalb der oberen Brutabdeckung (20) umfaßt, und daß das Plenumrohr (24) und/oder die Feder (26) mit Siliziumkarbid auf den Oberflächen beschichtet ist, die sich dem wandernden Cesium darbieten.