DE1178151B - Kernreaktor-Brennstoffelement und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche Kl.: 21 g - 21/20

Nummer: 1178 151

Aktenzeichen: C19595 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 12. August 1959

Auslegetag: 17. September 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement für Kernreaktoren, das im wesentlichen die Form eines Zylinders hat und koaxial übereinander angeordnete zylindrische Brennstoffringe enthält, deren Innenflächen an einem axialen, von einem Wärmeträger durchflossenen Metallrohr unmittelbar anliegen und die außen von einer gemeinsamen Metallhülle umgeben sind.

In heterogenen Atomreaktoren befindet sich der atomare Brennstoff im allgemeinen in Form kleiner Stäbe oder Klötze innerhalb einer dichten Hülle, die die mechanische Festigkeit des Brennstoffelementes sichert und den Brennstoff gegen das Kühlmedium isoliert.

Wenn der Kernbrennstoff derartiger Reaktoren Uran ist, verwendet man im allgemeinen metallisches Uran. Die Verwendung von atomaren Brennstoffen, die weniger gute Wärmeleiter sind als das metallische Uran, ζ. B. Uranoxyd oder Urancarbid, kann zu sehr starken Temperaturgefällen und zu unerwünscht hohen Temperaturunterschieden innerhalb des Brennstoffes selbst führen, so daß man ein Interesse daran hat, den Brennstoff zwecks Verbesserung der Wärmeableitung weitgehend aufzuteilen.

Die an die mechanische Festigkeit der Hülle des Brennstoffelementes zu stellenden Forderungen lassen sich stets durch Wahl einer genügend großen Wandstärke der Hülle erfüllen; eine Vergrößerung der Wandstärke bringt aber eine unerwünscht hohe Neutronenabsorption mit sich und beeinträchtigt außerdem den Wärmeübergang bzw. die Wärmeübertragung an das Kühlmedium.

Es ist bereits bekannt, das Brennstoffelement in Stäbe von kleinem Durchmesser aufzuteilen, die mit gegenseitigem Abstand und parallel zueinander angeordnet und über ihre einzelnen Hüllen verbindende Stege zusammengehalten sind; die Anordnung kann derart sein, daß der Querschnitt des ganzen Elements etwa Traubenform hat. Eine derartige Aufteilung macht es möglich, innerhalb des Brennstoffes eine gleichmäßigere Temperatur und außerdem eine bessere mechanische Festigkeit des durch die Stegverbindungen versteiften Elementes zu erhalten, ohne die Wandstärke der Hülle vergrößern zu müssen. Dieser letztere Vorteil läßt sich bei Brenn-Stoffelementen auch dadurch erzielen, daß man massive, vorzugsweise' zylindrische Brennstoffstäbchen oder -klötzchen von unterschiedlichem Durchmesser im Inneren einer dünnwandigen Rohrhülle stoßend aneinanderfügt und sie anschließend durch äußeren Preßdruck auf die Hülle unter plastischer Verformung derselben in engen Kontakt bringt.

Kernreaktor-Brennstoffelement und Verfahren
zur Herstellung desselben

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Jacques Andre Stohr, Bures-sur-Yvette,

Seine-et-Oise,

Maurice Gautron, Paris (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 21. August 1958 (772 839)

Es wurde auch schon vorgeschlagen, ein Brennstoffelement aus hohlzylindrischen Brennstoffstücken oder Brennstoffringen aufzubauen, die mit axialem Abstand voneinander auf ein Kühlrohr aufgereiht werden, an dessen Außenwand sie unmittelbar anliegen. An der Außenseite sind die gleichen Außendurchmesser aufweisenden Brennstoffringe — die an mindestens einer Stelle ihres Umfanges längsgeschlitzt sein können — von Kohlenstoff oder Graphit dicht umgeben; eine Gruppe mehrerer derartiger Einzelelemente ist in einer gemeinsamen gasdichten Hülle untergebracht, die eine dazwischenliegende Wärmeisolationsschicht umgibt.

Bei diesem bekannten Brennstoffelement ist die Kühlung des Brennstoffes unzureichend, da sie nur von der Innenseite der koaxial übereinander angeordneten Brennstoffringe über das axiale Kühlrohr erfolgt, auf dem die Ringe sitzen.

Die Erfindung, die auf Arbeiten von Jaques-Andre Stohr und Maurice Gauthron beruht, betrifft eine ähnliche Ausführung eines Brennstoffelementes für Kernreaktoren. Das Brennstoffelement nach der Er-

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Anordnung vorsehen, bei der die Ringe zumindest angenähert koaxial zueinander, aber mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind und die beiden Hüllenschichten, die der Form des Brennstoffes eng 5 angepaßt sind, in den mehr oder weniger breiten Lücken zwischen den Brennstoffringen entsprechenden Zonen eng aneinander anliegen.

Bei Verwendung von Brennstoffringen mit voneinander abweichenden Wandstärken kann man die

schichten gestatten. Beim Aufdrücken der Hüllenschichten bilden sich in denjenigen Zonen des

findung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoffringe, die entweder in an sich bekannter Weise gleiche Wandstärke und einen
axialen Abstand voneinander haben oder unterschiedliche Wandstärken und/oder unterschiedliche
Außendurchmesser aufweisen, wobei die Ringe sich
gegebenenfalls berühren, zwischen zwei sich der
Form der Brennstoffringe von innen und außen eng
anschmiegenden, dünnwandigen Metallhüllen sitzen,
die die Ringe koaxial zueinander halten und in zylin- io Ringe unmittelbar aneinanderstoßen lassen, die indrischen Zonen des Elementes, in denen sich kein folge der unterschiedlichen Wandstärken eine Brennstoff befindet, unmittelbar aneinander anliegen. plastische Deformation oder Profilierung der Hüllen-

Die dünnwandige Hülle des im wesentlichen einen
in Umfangsrichtung profilierten Hohlzylinder bildenden Brennstoffelements besteht aus zwei Metall- 15 Brennstoffelementes, in denen Brennstoffringe kleischichten, die sich eng der Form des Brennstoff- nerer Wandstärke oder geringeren Durchmessers körpers anschmiegen und von denen zumindest eine sitzen, vertiefte oder eingeschnürte Zonen der Hülle profiliert ist. aus, während an den Stellen, an denen Brennstoff-

Die erfindungsgemäße Ausbildung von Brennstoff- ringe mit größerer Wandstärke oder größerem elementen gestattet es, einen günstigen Wärmeüber- 20 Durchmesser sitzen, reliefartig vortretende Umfangsgang, eine gute mechanische Festigkeit des Brenn- zonen der Hülle entstehen. In diesem Falle berühren Stoffelementes und eine verhältnismäßig geringe die beiden Hüllenschichten sich in demjenigen Teil bzw. durchaus noch annehmbare Absorption von der Hülle, der mit Brennstoff gefüllt ist, nicht; sie Neutronen zu erzielen. sind dann lediglich an den Enden fest und dicht

Wenn man die neue Elementausführung mit be- 25 miteinander verbunden.

kannten Brennstoffelementen vergleicht, die eine Man kann auch Ausführungen vorsehen, die gewissermaßen zwischen diesen beiden Extremen liegen. So kann man beispielsweise mehrere Ringe von gleichem Durchmesser oder unterschiedlicher 30 Wandstärke stoßend aneinandersetzen, dann zwischen solchen Ringgruppen Zwischenräume vorsehen und die Hülle auf den Brennstoff unter Verformung aufdrücken; dabei nimmt die Hülle jeweils eine äußere Form an, die der Anordnung und den takt zwischen der Hülle und dem Kühlmedium, 35 Abmessungen des Brennstoffes im Inneren der Hülle

was vor allem durch die Vergrößerung der mit- entspricht. , ., „ , , ,

Die plastische Verformung der Metallrohre erfolgt in kaltem oder warmem Zustand durch hydrostatischen Druck, wobei man die jeweiligen charakteri-40 stischen Eigenschaften des Hüllenmaterials (das meistens ein Metall, wie z. B. Aluminium, Zirkonlegierung, rostfreier Stahl ist) berücksichtigt. Die Hüllenschichten werden auf jeden Fall an den beiden Enden des im wesentlichen zylindrischen Brennstoff-

Kühlmediumströmung eine kräftige Turbulenz « elementes dicht miteinander verbunden, vorzugsweise

ausbildet. ^{durch Schweißun}g-

In denjenigen Zonen, in denen die beiden Schich-

Die Innen- und Außenschichten, aus denen die ten der Hülle einander berühren, sieht man zweck-Hülle besteht, sind zwei zunächst zylindrische, mäßigerweise Punktschweißverbindungen zwischen dünnwandige Metallrohre, die nach dem Einbringen 50 den Schichten vor, um die Steifigkeit des Brennstoffder Brennstoffringe unter plastischer Verformung elementes zu erhöhen.

wenigstens eines der Rohre fest auf den Brennstoff Bei der plastischen Deformation des Hüllenaufgedrückt und an ihren Rändern dicht miteinander materials, bei der das endgültige äußere Profil der verbunden werden. Hülle entsteht, können sich Längswellen oder -falten

Die Brennstoffringe ihrerseits können einteilig 55 bilden, die die äußere Oberfläche der Hülle ver- oder längs der Erzeugenden ihrer Zylinderform ge- großem und so die Berührung bzw. den Wärmeausteilt sein; meistens zieht man eine Teilung in zwei tausch mit dem Kühlmedium verbessern, oder drei Zylindersektoren vor. Dann hat jeder Teil Die jeweils verformte bzw. profilierte Hüllen-

die Form eines starkwandigen, im Querschnitt kreis- schicht kann entweder die äußere oder die innere sektorförmigen Rinnenziegels, und diese Ziegel wer- 60 Schicht des hohlzylinderartigen Brennstoffelementes den zu zylindrischen Ringen zusammengesetzt. Eine sein; es können auch beide Hüllenschichten verformt solche Teilung ist zweckmäßig, wenn man — um bzw. profiliert werden.

das endgültige Aufpressen der Metallhüllen zu er- Die beiden metallischen Hüllen- oder Deckleichtern — die Rohrhüllen vor dem Zusammenbau schichten für das Brennstoffelement nach der Erdes Elementes vorprofiliert, wie dies weiter unten 65 findung werden in der Weise hergestellt, daß man geschildert wird. von zwei dünnwandigen Metallrohren mit unterWenn man Brennstoffringe gleicher Wandstärke schiedlichen Durchmessern ausgeht und diese Rohre benutzt, kann man für das Brennstoffelement eine konzentrisch zueinander anordnet, so daß zwischen

glatte Hülle aufweisen, ergeben sich bei angenommener gleicher mechanischer Festigkeit für das
Brennstoffelement nach der Erfindung folgende
Vorteile:

1. Es ergibt sich ein besonders guter Kontakt
zwischen dem Brennstoff und der neuartig ausgeführten Hülle und auch ein ebenfalls die
Wärmeableitung begünstigender innigerer Kon-

einander in Berührung stehenden Flächen bedingt ist, wenn man diese Flächen auf die Einheit des Brennstoffgewichtes bezieht;

2. die Hülle ist wesentlich dünner;

3. durch die äußere und/oder innere Querprofilierung ergibt sich auch insgesamt ein besserer
Wärmeübergang, weil sich in der das Element
in Längsrichtung durch- und umspülenden

den beiden Rohren der Raum für die Unterbringung der Brennstoffringe entsteht.

Vor dem plastischen Aufdrücken der Metallrohre auf den eingeführten Brennstoff sieht man — wenn der Brennstoff gegebenenfalls bei hohen Aufpreßdrücken zerdrückt werden könnte —· eine leicht durchzuführende, vorherige Profilierung oder Verformung der Rohre vor, wodurch sich das unerwünschte Zerdrücken der erst nach dieser Profilierung eingeführten Bennstoffteile späterhin vermeiden läßt.

Wenn der Brennstoff mechanisch sehr widerstandsfähig ist, genügt es, ihn in leicht vorgepreßten Vertiefungen der Hülle oder durch Verwendung eines Stützrahmens jeweils an den gewünschten Stellen festzulegen, ehe die plastische Verformung _J5 der Hülle auf dem Brennstoff erfolgt.

Zur näheren Erläuterung werden fünf Ausführungsbeispiele für Brennstoffelemente nach der Erfindung beschrieben, die in den Fig. 1 bis 11 der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen

Fig. 1, 3 und 5 Axialschnitte durch drei hohlzylinderförmige Brennstoffelemente mit Brennstoffringen gleicher Höhe und gleicher Stärke; bei den Elementen nach den Fig. 1 und 3 ist nur eine Schicht der Hülle profiliert, während bei dem Element nach F i g. 5 beide Hüllenschichten profiliert sind,

Fig. 7 einen Axialschnitt durch ein Brennstoffelement mit zwei unterschiedlichen Arten von Brennstoffringen, bei der nur eine Hüllenschicht profiliert ist,

Fig. 9 einen Axialschnitt durch ein Brennstoffelement, das Gruppen von mehreren Brennstoffringen mit unterschiedlichen Wandstärken aufweist und bei dem beide Hüllenschichten profiliert sind,

Fig. 2, 4, 6, 8 und 10 Schnitte längs den Linien A-A, B-B, C-C, D-D und E-E in den Fi g. 1, 3, 5, 7 und 9,

Fig. 11 eine perspektivische Darstellung eines halbzylindrischen bzw. ziegeiförmigen Brennstoffteiles.

In der Zeichnung sind nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Teile dargestellt, einander entsprechende Teile tragen gleiche Bezugszeichen.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Brennstoffelement enthält Brennstoffringe 1, die einander vollkommen gleich und mit axialem Abstand voneinander angeordnet sind.

Jeder Brennstoffring ist aus zwei aneinandergesetzten dachziegelförmigen Halbzylindern 2 und 3 zusammengesetzt. Die Hülle des Brennstoffelementes besteht aus dem glatten äußeren Metallrohr 4 und aus der dünnen profilierten inneren Hüllenschicht 5, die dadurch ihre Form bekommt, daß man ein zweites glattes Metallrohr durch plastische Deformation von innen auf den Brennstoff aufpreßt. Die beiden Schichten der Hülle berühren einander zwischen den Brennstoffringen in den mit 6 bezeichneten Ringzonen. Die reliefartig verformten Hüllenteile liegen im Inneren des im wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildeten Brennstoffelementes.

Bei dem Element gemäß den F i g. 3 und 4 sind Brennstoffringe 7 verwendet, die hier einteilig ausgebildet sind. Die beiden Metallschichten 8 und 9 ergeben die Hülle des Elementes. Die äußere Metallschicht 8 ist wiederum durch Aufpressen auf den Brennstoff plastisch verformt; die profilierten oder reliefartigen Hüllenteile liegen infolgedessen bei diesem Element an der Außenfläche des Hohlzylinders.

Bei dem in den F i g. 5 und 6 dargestellten Brennstoffelement sind die beiden Metallschichten 10 und 11 der Hülle profiliert.

Sämtliche Brennstoffringe 12 haben gleiche Höhe und gleiche Wandstärke und sind mit axialem Abstand voneinander angeordnet, so daß die beiden Schichten der Hülle in ringartigen Zwischenzonen 13 aneinanderliegen.

Jeder Brennstoffring 12 ist aus drei ziegelartig geformten Zylindersektoren 14, 15 und 16 aus UO₂ zusammengesetzt. Die reliefartig verformten Teile der Hülle liegen sowohl an der Außen- als auch an der Innenseite des hohlen zylindrischen Elementes.

Bei dem in den F i g. 7 und 8 dargestellten Brennstoffelement liegen die Brennstoffringe unmittelbar aufeinander; es wechseln dünnwandige Ringe 17 mit stärkeren Ringen 18 ab. Die metallische Hülle besteht aus dem glatten Innenrohr 19 und der profilierten äußeren Metallschicht 20.

Das in den Fig. 9 und 10 dargestellte Brennstoffelement enthält Brennstoffringe, die jeweils in Gruppen zu drei Ringen aneinandergefügt sind; ein kurzer und dünner Ring 21 liegt jeweils zwischen zwei hohen und starkwandigen Ringen 22. Die beiden Schichten 23 und 24 der Hülle berühren sich im Bereich der Zwischenzonen 25 und trennen dadurch jeweils die Gruppen aus drei Brennstoffringen gegeneinander ab. Die Ringe sind bei dieser Ausführung sämtlich einstückig. Die Hülle weist sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite des hohlen Elementes eine Reliefausbildung auf.

Die Fig. 11 schließlich zeigt einen Brennstoff- »Ziegel« 26; durch Zusammensetzen von drei derartigen, einander vollkommen gleichen »Ziegeln« erhält man einen zylindrischen Ring, wie er zum Aufbau eines Brennstoffelementes nach der Erfindung Verwendung finden kann.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement, das im wesentlichen die Form eines Zylinders hat und koaxial übereinander angeordnete zylindrische Brennstoffringe enthält, deren Innenflächen an einem axialen, von einem Wärmeträger durchfiossenen Metallrohr unmittelbar anliegen und die außen von einer gemeinsamen Metallhülle umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffringe, die entweder in an sich bekannter Weise gleiche Wandstärke und einen axialen Abstand voneinander haben oder unterschiedliche Wandstärken und/oder unterschiedliche Außendurchmesser aufweisen, wobei die Ringe sich gegebenenfalls berühren, zwischen zwei sich der Form der Brennstoffringe von innen und außen eng anschmiegenden, dünnwandigen Metallhülsen sitzen, die die Ringe koaxial zueinander halten und in zylindrischen Zonen des Elementes, in denen sich kein Brennstoff befindet, unmittelbar aneinander anliegen.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit unterschiedlichen Wandstärken ausgeführten Brennstoffringe (17, 18) unmittelbar aneinander anliegen und die beiden Metallhülsen (19, 20), von denen zumindest eine profiliert ist, sich eng an der Außen-

und Innenkontur der Brenstoffringe anschmiegen (Fig. 7).

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit unterschiedlichen Wandstärken ausgeführten Brennstoffringe (21, 22, 23) jeweils in Gruppen unmittelbar aneinandergefügt sind und diese Gruppen durch axiale Lücken voneinander getrennt sind, während die beiden Metallhüllen (24, 25), von denen zumindest eine profiliert ist, sich eng der Außen- iu und Innenkontur jeder Brennstoffringgruppe anschmiegen (Fig. 9).

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der zylindrischen Brennstoffringe jeweils aus mehreren Ringsektoren (26) bestehen (Fig. 11).

5. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden Metallhüllen zwei zylindrische, glatte Metallrohre geringer Wandstärke verwendet werden, die von innen und außen auf die Brennstoffringe unter plastischer Verformung zumindest eines der Rohre aufgepreßt und an ihren Enden dicht und fest miteinander verbunden werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 754 183;
USA.-Patentschriften Nr. 2 798 848, 2 838 452.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsche Patente Nr. 1 068 821, 1 087 284.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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