DE3919286A1

DE3919286A1 - Partikelbett-nuklearbrennstoffelement mit brennstoff enthaltender aeusserer fritte

Info

Publication number: DE3919286A1
Application number: DE3919286A
Authority: DE
Inventors: Billy Elias Bingham; Richard Vail Demars; William Gower Pettus
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1988-09-23
Filing date: 1989-06-13
Publication date: 1990-03-29
Also published as: FR2637113B1; JPH07104420B2; FR2637113A1; JPH02116787A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein gasgekühlte Nuklearreaktoren und besonders gasgekühlte Partikelbett- Reaktoren.

Um die Wärme von den Brennstoffelementen abzuführen, wird in gasgekühlten Reaktoren durch Kanäle unter Druck stehendes Gas durch und um die Brennstoffelemente herum geführt. Das erhitzte Gas kann dann entweder als Arbeitsmedium bzw. Arbeitsfluid oder als erstes Kühlmittel in einem Wärmeaus tauscher als Energieumwandlungsmechanismus benutzt werden. Ein Typ von gasgekühlten Reaktoren, bekannt als Partikel bett-Reaktor, verwendet eine Anordnung von Brennstoffelemen ten, in denen kleine Brennstoffpartikel in einer Größen ordnung von 0,5 mm im Durchmesser in einer ringförmigen Region zwischen den porösen inneren und äußeren Fritten eingeschlossen sind.

In einem Brennstoffelement, so wie es in BNL 37 407 mit dem Titel "High Power Density Reactors Based on Direct Cooled Particle Beds" offengelegt wurde, wird das Kühlmittelgas durch ein Einlaßrohr zur porösen äußeren Fritte geleitet. Das Kühlmittelgas fließt radial durch die äußere Fritte, die gepackten Brennstoffpartikel und die innere Fritte und tritt dann an einem Ende der inneren Fritte aus. Ein den bekannten Entwürfen anhaftendes Problem ist, daß die Wär meausdehnung des Partikelbrennstoffbetts während des Betriebs dazu führt, die äußere Fritte, die durch das einströmende Gas relativ kühl gehalten wird, unter Spannung zu setzen. Diese plastischen Spannungen der äußeren Fritte können zu einer Brennstoffrückverteilung und zum Umstürzen der ther misch-hydraulischen Eigenschaften des Brennstoffbetts führen. Ein Zerbrechen der äußeren Fritte als Resultat der Tempera turwechselbeanspruchung, kann zu einer größeren Brennstoff rückverteilung und möglicherweise zu einem ernsthaften Reaktionsdurchgang führen. Verwandte Gebiete der nuklearen Brennstofftechnologie, die den Anwendern bekannt sind, enthalten das folgende:

Brennstoffplattenforschung basierend auf in Aluminium dispergierten U₃Si₂ wie in ANL/RERTR/TM-11, "The Use of U₃Si₂ Dispersed in Aluminium in Plate-Type Fuel Elements for Research and Test Reactors", vorgeschlagen.

Das US Patent 47 59 911 mit dem Titel "Gas Cooled Nuclear Fuel Element" offenbart ein gasgekühltes nukleares Brennstof felement, das aus einer Vielzahl aneinandergebündelter Brennstoff enthaltender starrer poröser Zylinder gebildet wird.

Der Stand der Technik widmet sich nicht dem oben angeführten Problem, der durch Wärmeausdehnung des Partikelbrennstoff betts unter Spannung stehenden äußeren Fritte des Partikel bett-Reaktors.

Die vorliegende Erfindung löst das oben angeführte Problem in unkomplizierter Weise. Was zur Verfügung gestellt wird, ist ein Partikelbett-Reaktor-Brennstoffelement, welches die durch die Wärmeausdehnung des Brennstoffbetts bedingte Dehnung der äußeren Fritte reduziert. Die Partikelbett- Reaktor-Brennstoffelemente haben typischerweise einen Durchmesser von zwei bis drei Inches. Eine poröse innere Fritte und eine poröse äußere Fritte haben zwischen sich einen ringförmigen Raum für das Bett aus Brennstoffpartikeln, die im allgemeinen einen Durchmesser von etwa 0,5 mm (500 Mikrometern) haben. Das Bett der gepackten Brennstoff partikel stellt eine große Wärmeaustauschfläche zur Ver fügung. Die innere Fritte kann aus jedem Material geformt werden, das für die Temperatur am Ausgang des Brennstoffbetts geeignet ist. Die äußere Fritte beinhaltet spaltbares Material und erlaubt die Produktion von Spaltungshitze innerhalb der Fritte, was eine Ausdehnung der Fritte und Reduktion jeder durch thermische Ausdehnung des Brennstoff betts verursachten Spannungen bewirkt.

Für ein weiteres Verständnis der Natur und der Aufgabe der vorliegenden Erfindung sollte auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit dem beiliegenden Bild Bezug genommen werden, in denen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bekommen haben und worin die einzelne Figur eine Teilschnittperspek tive gemäß der Erfindung darstellt.

Mit Verweis auf das Bild kann gesehen werden, daß die Erfindung im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Das Partikelbett-Brennstoffelement 10 umfaßt im allge meinen die innere Fritte 12, die äußere Fritte 14 und das Brennstoffbett 16.

Die innere Fritte 12 ist ein poröser Zylinder, der metallisch oder nichtmetallisch sein kann und mit einer Vielzahl von Techniken herzustellen ist. Die innere Fritte 12 kann geformt werden, indem man ein Pulver in einen porösen Zylinder preßt und den Zylinder bei hohen Temperaturen und Drücken teilweise sintert. Ein anderes Verfahren zur Herstellung besteht darin, mehrere Lagen Draht auf einem Dorn bzw. Formkern kreuzweise zu wickeln, um so die ge wünschte Porengröße zu erhalten. Die Wicklung wird dann teilweise gesintert, um eine starre Struktur zu produzieren, die die Stärke des Muttermetalls hat. Ein drittes Herstel lungsverfahren ist, einen soliden, nicht porösen Zylinder der richtigen Dicke zu fabrizieren und dann Löcher durch die Wand zu bohren. Die Poren der inneren und äußeren Fritte müssen kleiner sein als die Brennstoffpartikel.

Die äußere Fritte 14 ist ein zu der inneren Fritte 12 konzentrischer poröser Zylinder, der spaltbares Material beinhaltet. Die Spalthitze verursacht, daß die äußere Fritte 14 sich gemeinsam mit dem Brennstoffbett 16 ausdehnt und dadurch die durch die thermische Ausdehnung des Brenn stoffbetts 16 verursachte Spannung reduziert. Die äußere Fritte 14 kann mit jeder der obigen geeigneten Verfahren hergestellt werden. Das spaltbare Material wird als Uran legierung mit Aluminium oder anderem Grundmaterial mit geringer Neutronenabsorptionscharakteristik in die Fritte eingearbeitet. Alternativ kann eine Dispersion einer Uranverbindung wie U₃Si₂ in Aluminium oder einem anderen Grundmaterial verwendet werden. Das Grundmaterial der äußeren Fritte kann als spaltbares Material auch ein anderes Aktinidenelement als Uran, wie z. B. Plutonium oder Americium tragen. Das spaltbare Material kann auch mit einem aus gewählten Isotop angereichert sein.

Der zwischen der inneren und äußeren Fritte 12, 14 definierte ringförmige Raum wird durch das Brennstoffbett 16 eingenom men. Das Brennstoffbett 16 enthält eine Vielzahl, vom Stand der Technik her bekannter, sphärischer Brennstoffpartikel. Während des Betriebs fließt das Kühlmittelgas, wie durch die Pfeile angezeigt, durch die Einlaßleitung 18, mit der der Moderatorblock 20 ausgestattet ist, zum Einlaßverteiler kanal 22. Um die Illustration zu vereinfachen, wird im Moderatorblock 20 nur ein einzelnes Partikelbett-Brenn stoffelement 10 in Teilschnittperspektive gezeigt, was jedoch so zu verstehen ist, daß ein Partikelbett-Reaktor im allgemeinen mit einer Vielzahl von Brennstoffelementen ausgestattet ist. Der Einlaßverteilerkanal 22 umschließt das Partikelbett-Brennstoffelement 10, so daß Kühlmittelgas radial durch die äußere Fritte 14, Brennstoffbett 16 und innere Fritte 12 zum Auslaßverteilerkanal 24, definiert durch den Innenraum der inneren Fritte 12, geleitet wird.

Das Kühlmittelgas, erhitzt durch die Spaltungswärme, tritt dann aus der inneren Fritte 12 aus und wird zur Energieer zeugung zum nichtgezeigten Wärmeaustauscher geleitet. Da die äußere Fritte 14 spaltbares Material enthält, dehnt sie sich kraft ihrer eigenen Wärmeproduktion aus, wodurch die durch die Wärmeausdehnung des Brennstoffbetts 16 verursachte Spannung reduziert wird.

Claims

1. Partikelbett-Reaktor-Brennstoffelement, enthaltend:

a. eine poröse äußere Fritte, die spaltbares Material enthält;
b. eine poröse innere Fritte, konzentrisch mit der äußeren Fritte, was eine ringförmige Region zwischen den Fritten definiert; und
c. ein Brennstoffbett, eingeschlossen in dem ring förmigen Raum.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spaltbare Material als eine Uranlegierung in der äußeren Fritte eingearbeitet ist.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das spaltbare Material als eine Dispersion einer Uranverbindung in die äußere Fritte eingear beitet ist.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das spaltbare Material Plutonium ist.

5. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das spaltbare Material Americium ist.

6. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das spaltbare Material mit einem ausgewählten Isotop angereichert ist.