DE7222767U - Brennstoffelementenanordnung und diese enthaltender kernreaktor - Google Patents

Description

Brennstoffelementenanordnung
und diese enthaltender Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffelementenanordnung für einen Kernreaktor und auf einen eine derartige Anordnung enthaltenden Kernreaktor.

Bekannte Brennstoffelemente für Kernreaktoren lassen sieh in zwei Hauptgruppen unterteilen, nämlich ebene Plattenelemente und zylindrische Stabelemente.

Eine Forderung für Plattenelemente besteht darin, daß der
Brennstoff metallurgisch mit dem Plattenmaterial verbunden
wird. Brennstoffelement^ dieser Art werden üblicherweise
parallel zueinander angeordnet, und zur Bildung einer Brenn stoffs lementenanordnung werden zwei Platten zusammengelötet.

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Bei der Herstellung dieser Brennelementenanordnung ergeben J öiöh viele Schwierigkeiten, etwa Verformung der Brennetorf-

platten und des Plattenmaterials infolge hoher Löttemperaturen, Blasenwerfen der Brennstoffelemente während des LotVorganges, Einlagerung von Giftstoffen im Bereich der Lötverbindungen

' und damit eine Verringerung der Anzahl von für die Spaltung

zur Verfügung stehenden Neutronen sowie Austreten von korrodierenden Stoffen aus den Lötverbindungen, wenn die Anordnung dem Reaktorkühlmittel ausgesetzt wird. ,.

Zylindrische Stab-Brennstoffelemente enthalten keramisches Spaltmaterial, etwa Urandioxid, in Form von verdichteten zylindrischen Pellets, die innerhalb eines rohrförmigen Überzugsmaterials mit verschlossenen Enden aufeinandergest&pelt, jedoch nicht fest miteinander verbunden sind. Geeignete Überzugsmaterialien haben einen geringen Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen, wozu etwa Aluminium, Zirkon, Legierungen des Zirkons und rostfreier Stahl zählen.

Zylindrische Brennstoffelemente dieser Art haben verschiedene Nachteile. So ergeben sich Schwierigkeiten bei der Herstellung von Zirkonröhren nennenswerter Länge und daher muß eine Vielzahl kurzer rohrförmiger Teile zusammengesetzt werden. Infolge schlechter Wärmeübertragungseigenschaften zwischen dem kerami-

sehen Material und dem Überzugsmaterial, das nicht mit dem

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bereich, also im Bereich der Längsachse des Stabes auf. Die Wärmeübertragungsfläche zwischen Brennstoff und Umhüllungsmaterial ist begrenzt, und es werden für die stabförmigen keramischen Brennstoffelemente verhältnismäßig große Durchmesser benötigt. Der wesentlichste Nachteil dieser zylindrischen Stab-Brennstoffelemente besteht jedoch darin, daß bei Beschädigungen im UmhUllungsmaterial der Brennstoff und (lie Spaltprodukte infolge Freigabe des Brennstoffes in das Reaktorkühlmittel gelangen, das sich üblicherweise auf einer hohen Temperatur Und unter hohem Druck \jfindet und dadurch radioaktiv wird. Der Reaktor muß dann abgeschaltet werden.

Es wurden bereits viele Versuche unternommen, Kernbrennstoffelemente herzustellen, die diese Nachteile nicht aufweisen.

So beschreibt die US-Patentschrift 3 070 527 keramische Brennstoffelemente, die in einer ebenen, unterteilten Platte und unverbunden enthalten sind. Der in diesen Brennstoffelementen verwendete Brennstoff hat die Form von 1,27 cm breiten und 15>24 cm langen Platten aus verdichtetem Pulver. Diese Platten sind durch Druck verdichtet und zu hoher Dichte gesintert (etwa 96 % der theoretischen Dichte).

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Durch Verwendung eines derartigen Aufbaus wurde versucht, die Menge des Brennstoffes und der daraus erzeugten Spaltprodukte, die bei Beschädigung der Umhüllung dem Kühlmittel ausgesetzt werden, zu verringern. Die von einer Platte erzeugte Menge an Brennstoff und Spaltprodukten kann jedoch «sine erhebliche Verschmutzung des Kühlmittels hervorrufen.

Die Verwendung von heterogenen Brennstoffen, bei denen Teilchen aus Spaltmaterial in einer brennstofffreien Matrix dispergiert ε-ind oder von ihr umgeben sind, nimmt erheblich zu. Dabei ergibt sieh ein Aufbau, bei dem Brennstoff enthaltende Teilchen ale einzelne kleine Zellen aus Brennstoff vorhanden sind, die jeweils innerhalb der Matrix eingekapselt werden. Die sich ergebende Zusammensetzung ist bei Bestrahlung stabiler, als vergleichbare homogene Brennstoffe, da die Lebensdauer infolge Einschluß von Schäden durch Spaltprodukte

erhöht wird.

Die bisherige Herstellung von Dispersionsbrennstoffen umfaßte die Vermischung der beschichteten Teilchen mit einer pulverförmigen Vorstufe des Matrixmaterial, wodurch man eine ungleichförmige Verteilung von kugelförmigem Brennstoff im Matrixmaterial erhielt. Diese Ungleichförmigkeit ist ein erheblicher Nachteil und insbesondere dann deutlich, wenn die kugelförmigen Brennstoffteilchen und das Pulver der Matrix-

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Vorstufe erheblich unterschiedliche Teilchengrößen und -formen aufweisen. Ferner ergibt sich durch die Ungleichförmigkeit eine erhebliche Schwierigkeit, wenn der Brennstoff mit weiteren Bestandteilen, etwa spaltbaren Giftstoffen, beschichteten Borkarbidteilchen o.a. vermischt werden soll. Selbst unter den besten Mischbedingungen ist zwangsläufig eine gewisse Ungleichförmigkeit der Teilchenverteilung gegeben, da die großen Unterschiede in der Größe der kugelförmigen Brennstoffe von der klassischen Keramikbearbeitungstechnik herrührt. __

Bei dem Mischvorgang kommen gelegentlich Brennstoffteilchen in Berührung miteinander, wodurch die Teilchenbeschichtung zerstört wird und Brennstoff in die Vorstufe des Matrixmaterials gelangt. Dadurch entstehen dann Brennstoffelemente sehr geringer Qualität. Der freigegebene Brennstoff verunreinigt die Matrix im fertigen Brennstoffelement und führt zur Bildung von heißen Punkten und damit zur Beschädigung des Matrixmaterials und der Freigabe von Spaltprodukten. Häufig werden derartige Beschädigungen erst entdeckt, wenn die Brennstoffelementenanordnung bereits in den Reaktor eingebracht ist. Schäden an Brennstoffelementen während des Reaktorbetriebes führen zur Verschmutzung des Kühlmittels, der ReaktorUmgebung und schließlich zur Abschaltung des Reaktors.

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Während des Mischvorganges und dem nachfolgenden Pressen und Verdichten ergeben sich durch die geometrische Ungleichförmigkeit der Teilchenverteilung und der Teilchengröße und -form häufig starke Berührungen von kugelförmigen Teilchen, wodurch die beschichteten Teilchen so abgeflacht und verformt werden, daß sich Risse und Mikrobrüche in den Brennstoffelementen ergeben. Dadurch entstehen im Reaktor heiße Punkte und außerdem Brüche im Element, die eine Verschmutzung de? Brennstoffelementenmatrix und der Umgebung mit Spaltprodukten zur Folge haben.

Bekannte Brennstoffelemente wurden durch willkürliches Mischen von Mikrokugeln in Metallpulver hergestellt. Die Mikrokugeln enthaltenden Pulver werden dann gepreßt und gewalzt, um eine Platte zu bilden. Der Brennstoffgehalt dieser Platten ist auf 15 Vol.i und weniger begrenzt und beträgt häufig nur 10 bis 12 Vol.*. Bei einer höheren Füllung kommen viele Mikrokugeln in Berührung miteinander, wodurch sich Brüche während des WalζVorganges ergeben. Diese Brüche führen zu einer Verbindungsporösität, die den Korrosionswiderstand, die Wärmeübertragungseigenschaften und den sicheren Betrieb der Brennstoffplatte beeinträchtigt.

Demgegenüber betrifft die Erfindung eine Brennstoffelementenanordnung für einen Kernreaktor, die sich auszeichnet durch

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eine parallele Reihe von ebenen, sich in Längsrichtung erstreckenden Brennstoffelementen mit einer Zellen, vorzugsweise in Reihenanordnung, enthaltenden Füllstoffplatte, wobei die Zellen einen Durchmesser von 10 bis 3000 Mikron haben und Kernbrennstoffmaterial enthalten, das mittels überzugsplatten befestigt ist, so daß der Kernbrennstoff vollständig eingeschlossen ist, durch im Abstand voneinander angeordnete, die Brennstoffelemente voneinander trennende Kühlmittelkanäle und durch die Brennstoffelemente an gegenüberliegenden Enden _ verbindende Seitenplatten.

Die Zellenstruktur aufweisenden Platten werden im folgenden als "Brennstoffplatten" bezeichnet. Das Brennstoffelement enthält eine oder eine Vielzahl von aufeinander gestapelten Brennstoffplatten und ist am oberen Teil und am Boden von Überzugsplatten umschlossen. Die Anzahl der Platten ist offensichtlich unbegrenzt. Obwohl im allgemeinen nur eine Brennstoff platte verwendet wird, ist es nicht ungewöhnlich, bis zu 10 oder mehr Platten innerhalb jedes Elementes zu verwenden.

Zwischen den Zellen sollte eine vernünftige Menge Matrixmetall liegen, um die Elemente gegen die störende Wirkung von Spaltbruchteilen zu schützen.

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Die Verwendung von kugelförmigen Teilchen anstelle üblicher ungleichmäßig geformter Teilchen und anstelle von Platten aus verdichtetem Pulver wird bei der Herstellung von Brennstoffelementen aus einer Anzahl von Gründen bevorzugt. Kugelförmige Teilchen neigen bei den Herstellungsvorgängen weniger zum Brechen, da eine Kugel zwangsläufig eine strukturelle Stabilität aufweist. Kugeiförmige Brennstoffteilchen bleiben innerhalb einer Matrix- diskrete Teilchen, wodurch der sie umgebende Bereich der Strahlungsschädigung verringert wird.. Ein kugelförmiges Teilchen hat außerdem eine minimale Oberfläche, was wiederum die Korrosion und die Reaktion des Brennstoffes und der Matrix auf ein Minimum herabsenkt. Darüber hinaus bieten kugelförmige Brennstoffteile bei Verdichtung eine höhere Dichte und eine geringere Rißbildung der Brennstoffelemente während der Herstellung.

Mikrokugeln, wie sie in der US-Patentschrift 3 331 785 beschrieben sind, haben einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften, die sie besonders zur Verwendung in der Brennstoffelementenanordnung gemäß der Erfindung geeignet machen. "Mikrokugeln" wurden bereits auf andere Weisen hergestellt, haben jedoch im allgemeinen nicht die chemischen und physikalischen Eigenschaften, wie sie für die Herstellung von Füllstoffplatten zur Verwendung in der Erfindung erforderlich sind.

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Beispielsweise lassen sie sich mit sehr geringen Größenschwankungen nersteiien und dadurch genau an die Zellen anpassen. Daher können Zellen gleichmäßiger Größe und Form hergestellt werden, in die die Kugeln gerade hineinpassen, was zu einer wirtschaftlichen und gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffes in jeder Platte führt. Dies ist nicht möglich, wenn die Teilchen ungleichmäßige Kugelform haben und in der Größe stark schwanken.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Zellen in einer regelmäßigen Anordnung verteilt, in der- sie Stellungen in einer von 17 Ebenengruppen einnehmen (vergleiche International Tables for X-Ray Crystallography, Seiten 58-72).

In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Zellen in einer ungleichmäßigen, vorbestimmten Anordnung verteilt, in der sich der Abstand zwischen den Zellen von Stelle zu Stelle in der Brennstoffplatte ändert.

Gleichmäßige Kugeln lassen sich leichter beschichten als anders geformte Teilchen. Die BeSchichtungen bei diesen Teilchen sind gleichförmig und haben ein sehr gutes Festhaltevermögen für Spaltprodukte. Da die Oberflächentextur glatt ist, sind die überzüge fest und neigen nicht zur Schwächung während

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Aluminium, pyrolytische Graphite und ähnliche Stoffe.

Eine wesentliche Schwierigkeit bei einigen bekannten Mikrokugeln, die eine schlechte Kugelförmigkeit und eine ungleichmäßige Oberfläche haben, ergibt sich aus der Wanderung von Uran durch den überzug an Stellen der Oberflächenungleichmäßigkeit.

Bei dem klassischen Verfahren zur Kugelbildung werden hohe Temperaturen benotigt, um ungleichmäßig geformte Teilchen in Kugelform überzuführen und um eine Gleichförmigkeit der Verbindung oder Mischkristallbildung in einem binftren oder M«hrkomponentensystem zu erreichen. Derartige Jighe-Teffiperaturen vertragen sich nicht mii^e£ner~"geringen Dichte (i»0 % bis 80 % der theoreti&cnen Dichte). In dem in der US-Patentschrift 5^351 785 beschriebenen Verfahren wird die feste Lösung bzw. Mischkristallbildung und Kugelbildung in einem Material erreicht, das bei Temperaturen bis zu 8O⁰G oder sogar 100°C behandelt wurde.

Diese Mikrokugeln können in Unterschiedlichsten gewählten Größen, normalerweise von 50 bis 3OOO Mikron, mit geringen Größenschwan-

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kungln innerhalb dieses Bereiches hergestellt werden. Die Dichten können zwischen Uo % und mehr als OO % der theoretischen Dichte eingestellt werden. Sie können so hergestellt werden, daß sie andere Materialien, etwa Zirkon, enthalten, um beispielsweise die physikalischen Eigenschaften des aktinischen Oxidbrennstoffes zu verbessern. Verschiedene Kerngiftstoffe, Neutronengiftstoffe oder Neutronenmoderatoren können gegebenenfalls in die Mikrokugeln eingeformt werden.

In der erfindungsgemäßen Anordnung des Brennstoffes ist dieser gegenüber dem Reaktorkühlmittel und daher vor zerstörenden nViorn-i anKort R»alrt-.ί nnon cross/^hfi-hfzt-. . Πη e- Äherah*» von 5?ΠΛ^ tnTTTftlJlften in das Kühlmittelj^rjd--a«f¹-elirMinimum herabgesetzt. Der Brenn-'stoff ist gegenüber nennenswerter Diffusion oder Wanderung bei hohen Betriebstemperaturen geschützt. Das Anschwellen der Brennstoffteilchen während der Ansammlung von Spaltprodukten ist berücksichtigt. Die Beschädigung durch Rückstoß von Spaltprodukten wird auf einen kleinen Bereich beschränkt. Außerdem läßt sich ein größerer Volumenanteil an Brennstoff erreichen als bisher möglich. Die Matrix wird aus einem korrosionsbeständigen Material mit einem geringen Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen hergestellt und enthält Stoffe der Gruppe Aluminium, Aluminiumlegierungen, rostfreier Stahl und verschiedene Zirkonlegierungen, etwa Zirkaloy, Zirkon, Graphit, Beryllium und Aluminium.

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Die Anordnung kann die Form einer Reihe von übereinander gestapelter Platten oder konzentrischer Zylinder haben, zwischen denen sich Kanäle befinden, durch die ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel strömen kann.

Der Brennstoff kann ein Brutmaterial, Spaltmaterial oder eine Mischung aus Brut- und Spaltmaterial sein.

Die beschichteten im Brennstoffelement dispergierten kugel.- — -· förmigen Teilchen können auch jnit großem Vorteil in einem soge-nannteh~Urutreaktor benutzt werden, bei dem es das Ziel ist, aus natürlichem Uran oder Thorium eine maximale Ausgangsleistung zu erzielen. Der Brutmantel aus Brutkernbrennstoff, beispielsweise natürlichem Uran oder anderen U-238-Qucllen oder Thorium, fängt einen großen Teil der überschüssigen Neutronen ab, die nicht für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion erforderlich sind. Der Mantel brütet durch die Erzeugung von Pu-239 oder U-233 Brutmaterial. Auf diese Weise läßt sich ein minimaler Einsatz und Aufwand an U-235 oder Thorium erzielen. Das erzeugte Plutonium zerfällt in situ im Kern und man erhält für eine gegebene Ausgangsleistung eine minimale Kerngröße. Da die Lebensdauer des Kerns erhöht wird, ergibt sich ein allmähliches Ansteigen des Leistungsverhältnisses von Brutmantel zu Spaltstoffzone. Ein Vorteil einer

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derartigen Spaltstoffzonen/Brutmantel-Anordnung besteht in der Vermeidung von Leistungsspitzen im Zentrum des gleichförmig aufgebauten Kerns.

Eine erfindungsgemäße Brennstoffelementenanordnung läßt sich so aufbauen, daß die jeweiligen Spaltstoffzonen/Brutmantel-Bestandteile entweder gleichmäßig verteilt in der gleichen Brennstoffplatte oder innerhalb verschiedener Brennstoffplatten liegen oder in gewünschter Kombination auftreten. Nachdem_jier_ Brennstoff einige Zeit im Reaktor war, kann er aus diesem entfernt und wieder bearbeitet werden. Der nach der Wiedei^bearbeitung verbleibende Brennstoff läßt sich zur Herstellung weiterer Brennstoffelemente benutzen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich die Kosten der Wiederbearbeitung ei¹· heblich verringern, da der Brennstoff leicht von der Matrix zu trennen ist. Dies ist ein wichtiger Anreiz für die Haltbarmachung von Kernbrennstoffen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert, wobei die Figuren 1 bis 3 eine Anordnung von Mikrokugeln innerhalb von Brennstoffplatten und Figuren Ί bis 6 eine Anordnung von Brennstoffplatten in der Brennstoffelementenanordnung zeigen.

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In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffplatte in Form einer einzelnen Folie nach der Verdichtung dargestellt. Man erkennt die Mikrokugeln 1 in der Platte 2 und den jedes einzelne Teilchen umgebenden freien Raum. Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1. Die Mikrokugel 1 befindet sich in einer Zelle, so daß ein leerer Raum zur Aufnahme von Gasen und anderen Spaltprodukten vorhanden ist und die Mikrokugel 1 sich ausdehnen kann. Die Lage der einzelnen Mikrokugel in der Folie 2 ergibt sich aus dieser Darstellung. In Fig. 3 ist ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer fertigen Brennstoffplatte gezeigt, die obere und untere Folien aufweist. Die Anordnung der Mikrokugeln 1 bezüglich der nichtperforierten Abschnitte der Brennstoffplatte 2 ist in dieser Figur zu erkennen.

Die einzelnen, die Brennstoffplatte bildenden Folien sind miteinander verbunden bzw. verklebt. Da es im allgemeinen erwünscht ist, Luft aus dem nicht von den Teilchen eingenommenen Raum in den Zellen und auch aus dem Brennstoff selbst fernzuhalten, erfolgte diese Verbindung zweckmäßigerweise im Vakuum ode? in Anwesenheit eines inerten Gases, etwa Stickstoff, Helium, Argon usw. Hierzu können unterschiedliche Verfahren angewendet werden, beispielsweise Verkleben, Verschweißen, Verpressen, Walzen, Vakuumverkleben, Löten usw.

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Wo die Kugel maximale Dichte hat und in jeder der Zellen leerer Raum verbleiben soll, um die Spaltprodukte zu sammeln und eine Ausdehnung der einzelnen Mikrokugeln zu ermöglichen, werden die Folien zusammengefügt und durch Pressen, Schweißen oder auf andere Weise verbunden, so daß ein Teil oder der gesamte leere Raum in den Zellen erhalten bleibt. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von ZeIIenvolumen zu Brennstoffvolumen innerhalb der Zelle etwa 1:1 bis 2:1.

Die erfindungsgemäße Brennstoffelementenanordnung ergibt eine Anzahl von Vorteilen. So bildet sie eine zweckmäßige Möglichkeit zur Dispersion von Nicht-UOp-Stoffen im UOg-Brennstoffbereich (üranbrtnnstoffe haben zweckmäßigerweise die Form von Oxiden). Stoffe, die »iiit UO₂ in verschiedenen Reaktoren gemischt werden können, sind unter anderem:

(a) andere Brennstoffe, etwa PuO₂ oder ThO₂;

(b) spaltbare Giftstoffe, etwa Gadolinium, beispielsweise GdpO, oder Samarium- und Borverbindungen, beispielsweise

(c) UO_-Teilchen mit sich von dem Grundbrennstoff unterscheidender Anreicherung von U-235.

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Die Nicht-UOp-Stoffe können in irgendeine? gewünschten Yer teilung, einschließlich gleichförmiger Verteilung, diskreten Bereichen und allmählich sich ändernden Konzentrationen in den Brennstoffelementen dispergiert sein. Eine Umverteilung oder ein Verlust an Nicht-U0₂-Stoffen bei der Herstellung, wie etwa beim Sintern von Nicht-UOp-Stoffen enthaltenden Pellets von UOp, werden durch die Erfindung vermieden. Die Umverteilung der Bestandteile während der Bestrahlung werden ebenfalls verringert oder ausgeschaltet, so daß physikalische Schäden am Brennstoffelement verhindert werden. Die Möglichkeit einer genauen Steuerung der Brennstoffzusammensetzung und der Verteilung ergibt die folgenden Vorteile:

(a) Abflachung der Pulververteilung entlang der Längserstr-eckung einer Brennstoffelementenanordnung oder von Platte zu Platte in einer Brennstoffelementenanordnung. Dadurch wird die Kerngröße und die erforderliche Brennstoffmenge für eine gegebene Ausgangsleistung verringert. Eine Verringerung der Kerngröße (Erhöhung der Leistungsdichte) hat Vorteile, die über den Kern hinausgehen. Wesentlich ist, daß ein kleinerer Reaktorkessel benutzt werden kenn, wodurch sich die Kesselkosten und die damit verbundenen Anlagekosten verringern. So führt beispielsweise ein kleinerer Reaktorkessel zu einer Verringerung der erforderlichen Kühlmittel-

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jnenge. Dies senkt v;iederum die Größe und/oder den Nenndruck des vorrat«behälter? für das Kühlmittel und damit die Gesamtkosten.

(b) Eine genaue Steuerung der Reaktivität durch spaltbare Giftstoffe mit einem minimalen Giftstoffrest am Ende der Lebensdauer. Dadurch wird die Lebensdauer des Kerns erhöht und die Anforderungen an die Steuerstäbe verringert. Beide Verbesserungen bilden wirtschaftliche Vorteile..Eine Erhöhung der Kernlebensdauer verringert die Kosten pro Energieeinheit. da die Kosten der Brennstoffherstellung_s des Transportes und der Wiederbearbeitung (die nicht von der Lebensdauer des Kerns beeinflußt werden) auf eine größere Gesamtenergieproduktion bezogen werden. Eine Verringerung der Anforderung an Steuerstäbe führt zu einer Einsparung, da eine geringere Anzahl von Steuerstäben und zugehöriger Antriebseinrichtungen benötigt wird.

Ein zweiter wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht da^in, daß sie eine Möglichkeit zur Steuerung der Brennstoffdichteverteilung entweder in Längsrichtung in jeder Brennstoffplatte oder von Platte zu Platte ermöglicht. Entsprechende Änderungen in der Brennstoffdichte können zur Abflachung der Kernleistungsverteilung dienen, wodurch die Kernleistungsdichte und die spezifische Leistung erhöht und die Brennstoffanforderungen und die Kerngröße verringert werden.

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Dae Anschwellen der UOg-Brennstoffe infolge der Bildung von Spaltprodukten innerhalb des UO« und der gesteigerten Plastizität des UO- unter Strahlung wurde häufig festgestellt. Durch diese Erscheinung werden die Lebensdauer eines Brennstoffelementes unter Bestrahlung eingeschränkt und gewisse Konstruktionsbeschränkungen bei keramischen Brennstoffelementen hervorgerufen .

Ein dritter wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Anpassung an die Ausdehnung einzelner UOg-Teilchen Möglich ist, ohne daß eine Qesamtbeschädigung der Brennstoffplatten auftritt, indem man einen Aufbau wählt, bsi dem für jedes einzelne Brennstoff teilchen Raum zur Ausdehnung vor-han= den ist. Dieser Raum ergibt sich auf drei verschiedenen Wegen:

(a) als ein zentraler leerer Bereich innerhalb jedes Teilchens;

(b) innerhalb jeder Zelle in der Matrixplatte, in die jedes Teilchen eingefügt wird. Wenn kugelförmige UOg-Teilchen in zylindrische Zellen eingebracht werden, deren Höhe und Durchmesser gleich dem Durchmesser des kugelförmigen Teilchens ist, so ergibt sich das Verhältnis von Zellenvolumen zu Teilchenvolumen zu

1TR²(2R) (wobei R der Radius ist),

beispielsweise 1,5:1*

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(c) als verteilte Porosität innerhalb eines Teilchens mit einor Dichte von weniger als 100 %.

Die Aufnahme der Ausdehnung der Teilchen ohne nennenswerte Beschädigung der Brennstoffplatte stellt einen erheblichen Vorteil dar. Es ist eine bessere Ausnutzung des Brennstoffes möglich, ohne daß die Gefahr der örtlichen Beschädigung von Kühlmitteldurchlässen besteht. Eine bessere Ausnutzung des Brennstoffes führt zu einer größeren Lebensdauer des Kerns und hat dadurch wirtschaftliche Vorteile.

Die Freigabe von gasförmigen Spaltprodukten aus dem UOg-Brennstoff während der Bestrahlung ist ein wesentlicher zu berücksichtigender Punkt bei allen Reaktor*;·*, wegen des möglichen Austretens derartiger radioaktiver Gase in das Reaktorkühlmittel und die Elemente des Kühlmittelsystems, wodurch sich die Wartungsarbeiten komplizieren, sowie wegen des möglichen Austretens dieser Gase in die Umgebung. Es hat sich gezeigt, daß sich der Austritt von derartigen Gasen mit der Erhöhung der UOp-Temperaturen und mit der Brennstoffausnutzung erhöht.

Ein vierter wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit der Verringerung des Austretens von gasförmigen Spaltprodukten. Die in den einzelnen UOp-Teilchen und in den

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Zellen, die jeweils diese Teilchen enthalten, vorhandenen Leerräume dienen als Bereich zur Ansammlung von gasförmigen Spaltprodukten, die aus dem UOp austreten.

Bei Brennstoffelementen, die in Hüllrohren enthaltene Pellets aufweisen, werden die gasförmigen Spaltprodukte von allen Teilen des Brennstoffstabes in einem einzigen, verbundenen Bereich gesammelt. Jegliche Beschädigung der Umhüllung des Rohres führt daher zur Freigabe aller gasförmigen Spaltprodukte, die im Brennstoffstab erzeugt wurden, selbst wenn die Beschädigung der Umhüllung nur an einer einzigen Stelle vorhanden ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden die aus dem UOp-Teilchen austretenden gasförmigen Spaltprodukte in getrennten, einzelnen abgeschlossenen Bereichen gesanünelt. örtliche Schäden an der Umhüllung oder der Platte führen nur zur Freigabe eines Teils der gesamten Menge an gasförmigen Spaltprodukten und zu dessen Abgabe in das Reaktorkühlmittel. Dadurch ergibt sich ein erhebliches Sicherheitsmoment-,

Ein fünfter wichtiger Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit zur Verringerung der Betriebstemperatur der Brennstoffphase durch Verwendung einer Metallmatrix mit höherer Wärmeleitfähigkeit als UO₃. Bei einer, gegebenen Wärmeerzeugungsrate und einer gegebenen Reaktorkühlmitteltemperatur arbeiten

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die UOg-Teilchen auf einer geringeren Temperatur als die UOp-Masse in einem Brennstoffelement mit Pellets in einem Hüllrohr, bei dem entlang der Längsachse Temperaturen auftreten, die sich häufig dem Schmelzpunkt des UOp nähern.

In einem Leistungsreaktor mit schnellen Neutronen (beispielsweise einem schnellen Brüter) ist es erwünscht, so viel wie möglich eingebaute schnellwirkende Mechanismen zu haben, um die Reaktion aus Sicherheitsgründen zu verlangsamen. Ein ßerartiger Mechanismus ergibt sich durch die Brennstoffdiente. Die Wärmeausdehnung des Brennstoffes erhöht sich mit der Leistung. Somit führt eine Beschleunigung der Leistung zu einer verringerten Brennstoffdichte und damit zu einer Verringerung der Reaktivität in einem richtig aufgebauten Kern.

Ein sechster wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der negative Brennstoffausdehnungskoeffizient der Reaktivität gesteigert werden kann, falls die UOg-Kugeln in metallische Platten eingelagert sind, die größere Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, als die Üblicherweise verwendeten keramischen UO₂-PuO₂- und UC-PuC-Brennstoffe. Der Kernaufbau kan» so angepaßt werden, daß die Steigerung des Brennstoffausdehnungskoeffizienten der Reaktivität ausgenutzt wird.

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Eine weitere detaillierte Beschreibung der Erfindung und deren Verwendung in Kernreaktoren ergibt eich aus den folgenden Beispielen für mögliche Reaktoraufbauten in Zusammenhang mit den Figuren Ί, 5 und 6.

Beispiel 1 Kern eines Siedewasserreaktors

Eine bekannte Standard-Brennstoffanordnung für einen Siedewasserreaktor besteht aus 49 mit einer Zirkonlegierung umhüllten, ÜOp-Pellets in einem Hüllrohr enthaltenden Brennstoffstäben in einer Anordnung von 7x7· Die Gesamtlänge der Anordnung beträgt 3»7 m.

Figur 4 zeigt die Verwendung einer erfindungsgemäßen Brennstoffelementenanordnung in einem Auswechselkern für einen Siedewasserreaktor mit einer Leistungsrate von 2.436 MW.

Die Anordnung ist aus ebenen Platten aufgebaut, die in einer geordneten Verteilung ÜOp-Brenhstoffteilchen enthalten und deren Querschnittsabmessungen gleich denen der Standardanordnung sind. Die Gesamtlänge der erfindungsgemäßen Anordnung ist entweder gleich der der bekannten Anordnung, oder sie ist aus verschiedenen kürzeren Anordnungen zusammengesetzt, die dann mechanisch miteinander verbunden sind. Die erfindungsge-

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anordnung. Zunächst werden wegen der Starrheit der ebenen Platten keine Zwischenstücke benötigt, die bei der Standardanordnung die langen, dünnen Brennstoffstäbe stützen. Zur Steigerung der Starrheit und Steife der Platten können diese eine leichte Wölbung erhalten. Darüber hinaus werden wegen der Starrheit keine Gitterplatten am oberen und unteren Ende öer Anordnung benötigt.

Die Anordnung gemäß der Erfindung hat ausreichende Wärmeübertragunfsbereiche und Kühlmittelströmungsbereiche. Aus Figur M ergibt sich, daß etwa die gleiche Wärmeübertragung und der gleiche Kühlmittelfluß vorhanden sind, wie bei der Standardanordnung. Die Anordnung gemäß Pig. M hat sine Länge L und eine Breite K von 13,8 cm. Die Brennstoffelemente 22 sind jeweils durch Kühlmittelkanäle 23 voneinander getrennt. Die Stärke N der Brennstoffplatte ist 6,2 mm und die Breite M des Kühlmittelkanals 7,8 mm. Wegen der Leistung ist eine geringere Abflachung des Oberflächenbereiches zur Wärmeübertragung erforderlich als bei der Standardanordnung. Die gleichmäßigere Leistungsverteilung innerhalb des Kerns bei der erfindungsgemäßen Anordnung verringert die erforderliche Gesamtkühlmittelströmungsrate,..

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I	I I I	·· » » I » ' 0 ^ ft * · * fr · · • I · t fc « «	■ Jf	vernünftigen Werten	der theoretischen Dichte	10	Volumenan teil von UOp in d.Matrix	U02-Gewicht je 3,7 m Länge der Anordnung
	-24 -	11·« 4 *	■'■■*..	der U-235-Anreicherung und des Volumenanteils	10	0,20	4,1
Der Gesamtgehalt an U-235 in einer	Standardanordnung beträgt ,	Matrix wesentlich mehr Spaltmaterial vorhanden.	15	0,25	5,1
3,9 kg. Wie Tabelle 1 zeigt, ist in der Anordnung gemäß der	Tabelle 1	15	0,20	6,1
Erfindung bei		20	0,25	7,7
der Teilchen,		20	0,20	8,2
von UOp in der	Spaltmaterialgehalt in der erfindungsgemäßen Brennstoff elementenanordnung	10	0,25	10,2
	Teilchendichte U-235-An- I in % der theore- reicherung 1 tischen Dichte (Gewichts-?)	15	0,25	4,3
I 90	15	0,20	5,1
90	20	0,25	6,4
; 90	20	0,20	6,8
j 90	15	0,25	8,5
i 90	20	0,25	4,3
j 90	20	0,20	4,5
75	25	0,25	5,7
I 75	25	0,20	5,7
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Aus diesen Angaben ergibt sich, daß die erfindungsgemäße TTat-irtfftiinctcdnung einen unmittelbaren Ersatz für eine Standard anordnung eines Siedewasserreaktors darstellt.

Beispiel 2

Kern geringerer Größe für einen Siedewasserreaktor

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich voll ständig bei einem Austauschkern verwenden, bei dem die Anzahl der Anordnungen und deren äußere Abmessungen durch den ursprüng lichen Reaktoraufbau gegeben sind. Man erhält jedoch eine erhebliche Verringerung der Korngröße und der Größe des Reaktor= behälters, wenn der Reaktor aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung entworfen wird. In dem vorliegenden Beispiel wird die mögliche Größenverringerung dargestellt.

Der Kern eines Siedewasserreaktors sei für eine Leistung von 2.^36 MW entworfen. Es werden Brennstoffanordnungen mit den gleichen Außenabmessungen verwendet, wie bei Standardanordnun gen für Siedewasserreaktoren, jedoch enthalten diese Anordnun gen ebene Brennstoffplatten. Ein Querschnitt durch einen Brenn stoff kern zeigt wiederum Fig. ¹J. In diesem Fall beträgt die Länge L und die Breite K der Anordnung 13,8 cm. Die Brenn stoffelemente sind durch einen Wasserkanal 23 getrennt. Die

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Stärke N der Brennstoffplatte beträgt 5,6 mm, die Breite M

Bezogen auf den Standardaufbau eines Siedewasserreaktors ergibt sich durch Verwendung von Brennstoffplattenelementen eine Verringerung der radialen Leistungspitzen von 10 % und eine Verringerung der Gesamtleistungsspitzen von 20 %. In der Matrix sind verschiedene Kombinationen von Brennstoffanreicherung, Teilchendichte und Volumenanteil des UO₂ möglich, die in Tabelle 2 dargestellt sind.

» Die Gesamtzahl der Brennstoffanordnungen im Kern für alle

Kombinationen-in Tabelle 2 beträgt 404. Dies ist eine Verringerung der Anzahl von Anordnungen um 21 % gegenüber 560 Anordnungen bei einem Standardkern eines Siedewasserreaktors für eine Leistung von 2.Ί36 MW.

Tabelle 2

ro ro ro -O cn

Spaltstoffgehalt und U-235 -Anreicherung in einem Siedewasser reakt orkern verringert ei.- Größi

Grundlage

Spaltstoffgehalt je Anordnung (kg)

Teilchendichte in % der theoretischen Dichte

Gleiche Menge an Spaltmaterial je Anordnung wie bei der St andardanordnung

Gleiche Gesamtmenge an Spaltmaterial im Kern wie im Standardkern

50 % mehr Spaltmaterial je Anordnung als bei der Standardanordnung

25 % größere Gesamtmenge an Spaltmaterial in Kern als im Standardkern

3,9 5,4 5,9

6,8 Volumenanteil von UO₉ in d.Matrix

7 !5

0,25 0,25 0,25

0,25

U-235-Anreicherung (Gewichts-*)

9,2

12 „8 13,8

- 28 - j PS

⁽ Beispiel 3

ι Kompakter Druckwasserreaktor mit hoher Leistungsdichte

Es gibt eine Anzahl von Reaktoranwendungen, bei denen ein kompaktes System hoher Leistungsdichte sehr erwünscht ist. Ein wichtiges Beispiel ist ein Schiffsreaktor, der zum Antrieb von Schiffen verwendet wird. Hohe Leistungen sind in diesem Fall erwünscht, um eine hohe Schiffsgeschwindigkeit zu erzielen und damit den Ertrag durch den Transport einer größeren Menge Pracht je Zeiteinheit zu vergrößern. Ein ' · kompakter Aufbau ist dabei erwünscht, damit das Gewicht und die Größe der Antriebseinheit die Pracht-Tragfähigkeit des Schiffes nicht entscheidend verringert.

Das reaktorgetriebene amerikanische Schiff N.S. SAVANNAH benutzt einen Reaktorkern, der 32 Brennstoffanordnungen enthält, von denen jede einen Querschnitt von 21,6 χ 21,6 cm hat. Jede Brennstoffanordnung enthält 164 Brennstoffstäbe mit einem Durchmesser von 1,27 cm. Dieser Reaktor ist ein Druckwasserreaktor. Neuere Sicherheitsuntersuchungen haben gezeigt, daß die maximale Leistung durch die maximale Temperatur der Brennstoffpellets auf 104 MW begrenzt ist.

Eine Brennstoffanordnung gemäß der Erfindung mit Außenabmessungen, die mit denen des Standard-Druckwasserreaktors überein-

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stimmen, wurde entworfen. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des Brennstoffkerns. Die Länge R und die Breite Q betragen 21,6 cm. Die Brennstoffelemente 30 sind durch Wasserkanäle 31 voneir ander getrennt. Die Stärke 0 einer Brennstoffplatte beträgt 2,2 mm, die Breite P eines Kanals 2,9 mm. Der Leistungspegel des Kerns wurde maximiert, während die gleiche Anzahl und Größe der Brennstoffanordnungen beibehalten wurde. Dies wurde innerhalb heute zur Verfügung stehenden Begrenzungen für Druckwasserreaktoren erreicht. Die folgenden Parameter wurden aJLs Darstellung der heutigen Technik gewählt:

Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels

maximaler Wärmefluß

mittlerer Kühlmitteltemperaturanstieg im Kern

normaler Betriebsdruck

mittlere Kühlmitteltemperatur

Brennstoffplattenstärke einschließlich Umhüllung

Stärke .der Umhüllung

16,5 km/h

1,085 x 10⁶ K cal/h m²

10,0⁰C

123 kg/cm² (wie bei

N.S. SAVANNAH)

264°C (wie bei N.S.

SAVANNAH)

2,2 mm
0,25 mm

Die die Wärmeübergangs- und Wärmetransportbegi-enzungen des Kerns definierenden Gleichungen wurden in Größen der Anzahl von Brennstoffplatten je Anordnung und der gesamten Kernwärme-

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ι., ι

•·

rate geschrieben. Diese Gleichungen wurden gleichzeitig gelöst, um die brauchbaren Werte dieser beiden Parameter zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, daß ein Kern mit Brennstoffplatten, jedoch mit der gleichen Anzahl und Größe von Brennstoffanordnungen wie der Kern der N.S. SAVANNAH eine Leistung vca 400 MW

• erzeugen könnte. Jede Anordnung hätte 42 Brennetoffplatten.

j Dann wurde die maximale Brennstoffplattentemperatur errechnet

Q

j und zu etwa 377 C bestimmt, was sehr gut innerhalb der augenblicklichen Werte für mögliche Matrixmaterialien liegt.

Wie vorstehend bereits erwähnt, ist die Leitung des Reaktors

bei der N.S. SAVANNAH auf 104 MW bei Berücksichtigung der maximalen Brennstofftemperatur beschränkt. Um den Leistungspegel auf 400 MW zu erhöhen, wie dies mittels des dargestellten Entwurfes möglich ist, wären etwa in jeder Brennstoffanordnung 63O Brennstoffstäbe mit in Hüllrohren enthaltenen Pellets erforderlich. Es ist praktisch unmöglich, einen derartigen Aufbau herzustellen, ohne die Querschnittsabmessungen ) jeder Anordnung und damit die gesamte Kerngröße erheblich zu

erhöhen.

Der mögliche Bereich des Spaltstoffgehaltes in dem Kern gemäß der Erfindung wurde ermittelt. Die Rechnungen stützten' sich auf eine Teilchendichte von 75 % der theoretischen Dichte und

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I ·

t *

I I I

- 31 -

einen Volumenanteil des Brennstoffes in der Matrix von 25 %. Der U-235-Gehalt je Anordnung und die U-235-Anreicherung wurden als Variable angesehen. Die Ergebnisse sind in Tabelle ^ als Spaltstoffgehalt in der Brennstoffplattenanordnung gemäß der Erfindung, bezogen auf den mittleren Spaltstoffgehalt in jeder Brennstoffanordnung der N.S. SAVANNAH von üblichem Typ angegeben. Diese Ergebnisse zeigen, daß ein 4,66-mal so großer
Gehalt gegenüber dem Gehalt beim Reaktor der N.S. SAVANNAH
durch Verwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffelementejianordnungen erreicht werden kann.

Tabelle 3

Spaltstoffgehalt in	den Platten des reaktors	Kerns eines Schiffs-
Verhältnis des U-235- Gehaltes in der Brenn stoff plattenanordnung zum U-235-Gehalt bei der N.S. SAVANNAH	U-235-Gehalt je Anordnung (kg)	Anreicherung (Gewichts-? U-235)
1,0	10,2	19,9
1,5	15,3	29,9
2,0	20,1	39,8
2,5	25,5	19,8
3;o	30,6	59,7
H,0	1*0,8	79,6
H,66	17,6	93,0

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, , > ι .11 > I ItI ιΐ.

Beispiel M

Kern für einen schnellen Brutreaktor mit flüssigem Metall als Kühlmittel

Schnelle Brutreaktoren sind sehr wichtige Reaktoren. Die im allgemeinen hohe Leistung pro Volumeneinheit (im Vergleich zu üblichen Siedewasser- und Druckwasserreaktoren) bei schnellen Brutreaktoren führte ".um Entwurf von sehr eng gepackten Brennstoffanordnungen mit Stäben geringen Durchmessers oder dünnen Platten. -—

Die Anforderungen an die Reaktorsteuerungen sind bei schnellen Brütern strenger als bei konventionellen thermischen Reaktoren. Die Wirkung des Anteils der verzögerten Neutronen des Plutoniumbrennstoffes in einem typischen schnellen Brüter beträgt etwa die Hälfte von dem in einem thermischen mit Uran betriebenen Kern, und die Lebensdauer der prompten Neutronen in dem schnellen Reaktor ist wesentlich geringer als die in einem thermischen Reaktor. Es wurde bereits vorgeschlagen, ζμΓ Verringerung der zwangsläufigen Reaktivitätssteuerschwierigkeiten eine gesteuerte Ausdehnungsbrennstoffanordrmng zu benutzen. Diese Anordnung enthält ein brennstofftragendes Bauelement, das ebenso lang ist, wie der aktive Kern, sowie zwei andere BrennstoffUnteranordnungen, die jeweils etwa? kürzer sind als die halbe Länge des aktiven Kerns. Die beiden Unteranordnungen

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• t
ι · · ·

j - 33 -

enthalten den größten Teil des gesamten aktiven Brennstoffes.

ι λ Λ *x s4 .SN μ W *\ ·% Λ *\ w» 1^**1 *>**» *n ***** «n TTw« 4- mma **ί *»*^·*9 μ · · «** mmm 4 «* ^ «»%«* *·» ..% ·*« ^» 4 «*«^v·«» ücut uci ücxacii i\ui üci cn uiiucx atioi ο,ιινίΑΑ^^Αλ ^.ou uu* »-tu exticiti ihrer Enden mit einem Ende des Hauptbauelementes verbunden. Die beiden kürzeren Anordnungen werden mittels entsprechender Abstandsstüoke radial von dem Bauelement geführt, können sich jedoch unabhängig von diesem Bauelement in axialer Richtung ausdehnen.

Bei einer plötzlichen Erhöhung des Leistungspegels im Kerji erhöht sich die Brennstoffteilchentemperatur durch die- Anordnung hindurch und das Bauelement verlängert· sich infolge der unterschiedlichen Geometrie, der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und des unterschiedlichen Wärmediffusionsvermögens der verwendeten Materialien mehr und schneller als die kürzeren Anordnungen. Dadurch entspricht die axiale Trennung der beiden kürzeren Unteranordnungen der Entfernung von Brennstoff aus dem Zentrum des Kerns. Dadurch ergibt sich infolge der Wärmeausdehnung ein vorhersehbarer, negativer Temperaturkoeffizient der Reaktivität.

Die erfindungsgemäße Brennstoffelementenanordnung ermöglicht ein einzigartiges Verfahren zur Einstellung des wirksamen Wärmeausdehnungskoeffizienten von zwei benachbarten Anordnungen und damit eine Einstellung der Reaktorleistung. Eins der Schlüssel-

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elemente bei dem Ansprechen durch axiale Ausdehnung der Brennstoff enthaltenden unteranordnungen und des Bauelementes ist der relative Widerstand gegenüber dem Wärmetransport von den einzelnen Brennstoffteilchen zur gekühlten Wärmeübertragungsfläche. Die Erfindung ermöglicht die Änderung des wirksamen Wärmediffusionsvermögens der Brennstoffplattenmatrix durch Änderung der individuellen Teilchendichte, des das jeweilige kugelförmige Teilchen umgebenden äußeren leeren Raums und des Volumenanteils des Teilchengehaltes in der Matrix. __

■ Bei Anwendung dieses Verfahrens wird eine Elementenanordnung

mit unterschiedlichen Matrizes im Bauabschnitt mit der Länge des vollen Kerns und den kürzeren Brennstoff enthaltenden Unteranordnungsabschnitten hergestellt. Diese Anordnung wird so aufgebaut, daß die unterschiedliche Wärmeempfindlichkeit der beiden Matrizes die gewünschte Übergangs- und stationäre differenzielle Ausdehnung ergibt, die für eine wirksame Reaktivitätssteuerung erforderlich ist.

Eine Brennstoffanordnung für einen schnellen Brüter mit flüssigem Metall als Kühlmittel, bei dem das erfindungsgemäße Element verwendet wird, ist im Querschnitt in Fig. 6 gezeigt. Bei dieser Anordnung werden zwei Arten von Plattenelementen verwendet. Die Seitenplatten 37 erstrecken sich über die gesamte Länge des Kerns und bilden mit zwei keinen Brennstoff enthaltenden

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oberen und unteren Stützplatten 38 den Hauptaufbau bzw. die

vvauvii

J stoff enthaltenden Unteranordnungen haben jeweils etwa die

Länge des halben Kerns und weisen Brennstoff enthaltende Platten 36 mit dazwischen liegenden Kühlmittelkanälen 35 auf. Die Umhüllungsabmessungen der Anordnung, die Anzahl der Platten und die Plattenstärke werden so gewählt, daß sich eine Anordnung mit der gewünschten äußeren Abmessung, dem gewünschten Gesamtflächenbereich für die Wärmeübertragung und dem gewünschten Bereich für den Kühlmittelfluß ergibt.

Beispiel 5 Gasgekühlter Reaktorkern

Bei gasgekühlten Reaktoren wird inertes Gas, üblicherweise Helium, als primäres Kühlmittel verwendet. Gasgekühlte Reaktoren verdampfen im allgemeinen in einem Sekundärsystem V/asser, obwohl auch in einem direkten Zyklus Gasturbinen verwendet werden können.

Die gute Wärmeleitfähigkeit, die hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen, die besonders gute Wärmefestigkeit und das gute Bremsverhalten des Graphits lassen diesen als Matrixmaterial für die Püllstoffplatten gemäß derErfirylung besonders geeignet erscheinen.

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Bisherige Verwendung von Graphit als Matrixmaterial umfaßte

die Imprägnierung porösen Graphits mit uranhaltigen Lösunssn 11

und die dann folgende in situ Umwandlung in ein Karbid oder Oxid. Die sehr geringe Größe der Brennstoffphase bei diesem Verfahren führte zu erheblichen Beschädigungen der Matrix während der Bestrahlung.

Ein umfangreicher angewendetes Verfahren zur Erzeugung von Brennstoffen mit einer Graphitmatrix bestand darin, den Brennstoff dem Graphit in Oxidform zuzusetzen, die Matrix herzustellen und das Oxid durch Reaktion mit dem benachbarten Graphit in Karbid um7.uw8.nde In= Ein Haupt-nacht eil bei diesen Verfahren besteht in den leeren Räumen zwischen der Matrix und den Brennstoffteilchen durch die Entfernung von Kohlenstoff, wodurch der Aufbau geschwächt wird.

Neuere Herstellungsverfahren arbeiten mit einer Heißformung einer Matrix aus Graphit, Pech und Brennstoffteilchen oder dem Extrudieren einer Mischung aus Brennstoffteilchen, kohlenstoffhaltigen Füllstoffen und Bindemittel. Dabei ergeben sich viele Nachteile. Während des Mischvorganges neigen Teilchen unterschiedlicher Größe und Dichte zur Seigerung und zum Entstehen inhomogener Brennstoffdispersionen. Die anzuwendenden hohen Temperaturen ergeben unerwünschte Reste der Nicht-Brennstoffphase und führen zur Wanderung der Brennstoffphase durch

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- 37 -

41

den Graphitaufbau. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, ein Mischverfahren zu wählen, das ausreichend sanft ist, um Beschädigungen der Beschichtungen zu vermeiden, wenn beschichtete Brennstoffteilchen verwendet werden.

Mittels der Erfindung wird eine Brennstoffelementenanordnung geschaffen, die in gasgekühlten, auf hoher Temperatur arbeitenden Reaktoren verwendet werden kann, wobei die Brennstoffteilchendispersion oder -verteilung in beliebiger Form steuerbar ist und bei der keine unerwünschten Reste, Verunreinigungen, wandernde Brennstoffphasen oder unerwünschte leere Räume infolge der Kohlenstoffreaktionsvorgänge entstehen.

Es können Gr-apnitfüilstoffplatten, etwa "Grafoil" verwendet werden, und die Zellen werden in der vorstehend beschriebenen Weise gefüllt. Sie enthalten Brennstoff in Form von Mikro-

kugeln und werden so verbunden, uaß sie Brennstoffplatten zur

fr

Verwendung in gasgekühlten Reaktoren für hohe Temperatur bilden. Derartige Brennstoffe sind Mikrokugeln aus Urankarbid, die in einer Stärke bis zu 25 Mikron mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet sind, sowie unbeschichtete Uranteilchen in einer Größe von 1 mm, die in Graphitfolien für diesen Reaktorkern eingebracht werden.

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Claims (5)

Ansprüche

1. Brennstoffelementenanordnung zur Verwendung in einem Kernreaktor, mit einer Reihe von ebenen, sich in Längsrichtung erstreckenden Elementen, deren Flächen im wesentlichen in parallelen Ebenen liegen, wobei jedes Element Kernbrennstoff und diesen einschließende überzugsplatten aufweist, mit Kühlmittelkanälen zwischen den Elementen und mit die Brennstoffelemente an gegenüberliegenden Seiten verbindenden Seitenplatten, dadurch gekennzeichnet, ■laß zwischen den Uberzugsplatten eine oder mehrere Platten vorgesehen sind, die Zellen mit einem Durchmesser von 10 bis 3.000 Mikron aufweisen, in denen sich der Kernbrennstoff befindet.

2. Brennstoffelementenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff Spaltmaterial, Brutmaterial oder eine Mischung aus diesen enthält.

3. Brennstoffelementenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zur Erzeugung einer Brutreaktion angeordnet ist.

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4. Brennstoffelementenanordnung nach einem der Ansprüche i bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff die Form von Kugeln hat.

5. Brennstoffelementenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis k_t dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Zellenvolumen zu Brennstoffvclurnen innerhalc der Zelle etwa zwischen ±^1 bis 2:1 liegt.

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