DE1204344B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1204 344

Aktenzeichen: U 7025 VIII c/21 g

Anmeldetag: 31. März 1960

Auslegetag: 4. November 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement, das aus einer mit Endkappen versehenen Schutzhülle besteht, in der ein durch Metallscheiben unterteilter Stapel von scheibenförmigen Brennstoffkörpern untergebracht ist. S

Beim Aufbau von wärmeerzeugenden festen Körpern im allgemeinen ist man bestrebt, ein geringes Temperaturgefälle zwischen jeder Stelle im Körper und der Körperoberfläche, von der die Wärme weggekühlt wird, vorzusehen. Dabei stößt man jedoch dort auf Schwierigkeiten, wo das Material des wärmeerzeugenden Körpers ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Schwierigkeit kann teilweise durch Verwendung von Körperformen überwunden werden, die eine große Oberfläche pro Volumeneinheit des Körpers bieten, was jedoch ein Abweichen vom einfachen kreisförmigen Teilkörper und seinen mannigfaltigen technischen Vorteilen mit sich bringt.

Zur Lösung des Problems, das beim Leiten von Wärme aus dem Inneren einer Brennstoffmasse in einem Kernreaktor-Brennstoffelement auftritt, ist bereits vorgeschlagen worden, flüssiges Natrium in einem Brennstoffelement vorzusehen, das als wärmeleitendes Medium wirkt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Brennstoffelementen die Form von Rohren zu geben. Bei einer anderen bekannten Ausführung sind ringförmige Bauteile aus Beryllium vorgesehen, die ringförmige waffelartige Bauteile aus Uran 25 voneinander trennen. Auch ist ein Brennstoffelement mit einer Uranfolie bekannt, die in Blei als Auskleidung für die Innenfläche eines Aluminiumrohrs aufgehängt ist. Es ist auch das Unterbringen von mehreren Kernbrennstoffkörpern in einem rohrförmigen Körper bekannt, wobei Abstandshalter aus einem anderen Material an den Enden der Baugruppe an zwei Punkten entlang des rohrförmigen Körpers eingefügt sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Mitteln zur Verkleinerung des Temperaturgefälles zwischen dem Inneren und der Oberfläche von Kernreaktor-Brennstoffelementen.

Das Kernreaktor-Brennstoffelement gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheiben ein kugelförmig gekrümmtes Profil besitzen und daß ein relativ zur Endkappe der Schutzhülle zusammendrückbarer Bauteil vorgesehen ist, der den Stapel axial zusammenpreßt und somit die Metallscheiben an die Schutzhülle drückt.

Vorzugsweise besitzen auch die Brennstoffkörper im Stapel ein kugelförmig gekrümmtes Profil.

Darin, daß die Schutzhülle mit Platten von kleinerem Außendurchmesser als die Bohrung der Hülle Kernreaktor-Brennstoffelement

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,
London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:

George Clifford,

James Dalton, Coogee, New South Wales

(Australien);

George Edward Lockett, London

gefüllt wird, wodurch das Füllen der Hülle erleichtert wird, besteht ein Vortei lgegenüber der Verwendung von satt anliegenden Platten. Außerdem werden die gekrümmten Platten in einem Zustand der elastischen Beanspruchung gehalten, und die Wirkberührung bleibt bei Temperaturänderungen bestehen.

Außerdem bietet die Verwendung eines zusammendrückbaren Bauteils, um die Gruppe aus Brennstoff- und Metallplatten axial zusammenzudrücken, insofern Vorteile, als das durch die Strahlung bedingte axiale Wachstum der Gruppe den Bauteil relativ zum Endstopfen der Schutzhülle zusammendrückt, wenn die durch das Anwachsen ausgeübte Kraft ausreicht, um den Reibungswiderstand zwischen dem Bauteil und dem Stopfen zu überwinden.

Für einen mit schnellen Neutronen arbeitenden Reaktor, also einen Reaktor mit einem Kern, der aus einem Material von vernachlässigbar kleiner Bremswirkung besteht und dessen spaltbarer Gehalt ausreicht, um eine Kettenreaktion in einem selbstentwickelten Fluß schneller Neutronen aufrechtzuerhalten, stehen für das wärmeerzeugende Element verschiedene Kombinationen von Metallen zur Verfügung, die miteinander verträglich sind und die erforderlichen Wärmeeigenschaften haben. Mögliche wärmeerzeugende Stoffe sind die spaltbaren Isotope U 235, U 233 und Pu 239, entweder allein oder vermischt oder legiert mit einem Trägermetall oder verdünnt, wie das natürliche Uran, Thorium, oder ein übliches spaltbares Metall.

Als mögliche Wärmeleiter kommen z. B. Silber und Kupfer in Betracht; aber auch Metalle wie Eisen,

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Stahl und Nickel sind als Ummantelungsmaterialien brauchbar. Als brauchbare Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt zwecks Wärmeübertragung in dem Element und als äußeres Kühlmittel sind Quecksilber, Bleilegierungen, Wismutlegierungen, Natrium und Natrium-Kalium-Lelgierungen zu erwähnen.

Für andere Reaktortypen wird die Auswahl der Metalle durch die Forderung der geringeren Neutronenabsorption begrenzt.

Ausführungsformen der Erfindung sollen nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kernbrennstoffelement,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch eine plattierte Scheibe aus spaltbarem Material, wie sie beim Element gemäß der F i g. 1 verwendet wird,

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch eine Scheibe anderer Ausführungsform, während

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein weiteres Brennstoffelement wiedergibt.

Nach der Fig. 1 weist ein aus nichtrostendem Stahl bestehendes Rohr 1 mit einer Länge von etwa 15,24 cm, einer Bohrung von 0,714 cm und einem Außendurchmesser von 0,785 cm ein mit ihm verschweistes unteres Endstück 2 auf. Das Rohr wird dann nahezu mit Scheiben 3 gefüllt, die, wie in der Fig. 2 dargestellt, ausgebildet sind und einen Innenkörper 4 aus Plutonium mit einer Dicke oder Schichtstärke von 0,119 cm und einem Durchmesser von 0,633 cm, einen oberen kupferplattierten Schichtkörper 5, eine untere kupferplattierte Schichte und drei gleiche Abstände voneinander aufweisende Stanzbärte 7 aufweisen, die vor- oder überstehen und die Scheiben mittig im Rohr 1 halten. Die Kupferschichten 5 und 6 sind 0,006 cm dick und wirken als Wärmeleiter. Gemäß der F i g. 1 wird das obere Ende des Rohres 1 mit einem Pfropfen 8 versehen, der eine Aussparung 9, einen Durchlaß 10 und einen Expansionshohlraum 11 aufweist. In der Aussparung 9 befindet sich im Preßsitz ein Rohr 12 mit unteren Perforierungen 13. Wenn der Pfropfen 8 in die Betriebslage auf die Bauteilgruppe aufgepreßt wird, wird das Rohr 12 bis zur Berührung mit der obersten Scheibe 3 heruntergedrückt. Der Scheibenstapel wird dadurch räumlich festgelegt, während jede spätere Ausdehnung oder Längenzunahme des wärmeerzeugenden Materials durch weiteres Eindrücken des Rohres 12 ermöglicht wird. Das Rohr 1 wird mit einem Edelgas überflutet bzw. ausgespült und bis zum oberen Rand des Durchganges 10 mit flüssigem Natrium gefüllt. Der Füllvorgang wird in der Weise ausgeführt, daß die Bauteilgruppe bis über den Schmelzpunkt von Natrium in einem Edelgas erhitzt, das Endstück 2 in flüssiges Natrium eingetaucht und die Bauteilgruppe vom oberen Ende aus evakuiert wird, wobei die Lösung durch das Gießloch 15 in das Endstück 2 durch den Hohlraum zwischen den Wänden der Scheiben 3 und des Rohres 1 bis zum oberen Ende des Durchganges 10 hochgezogen wird. Ein Gasausdehnungsaufsatzstück 16 wird aufgeschraubt und dann mit dem Pfropfen 8 verschweißt, um das obere Ende zu verschließen. Zum Verschließen des unteren Endes des Brennelements wird ein Pfropfen 17 im Gießloch 15 eingeschweißt.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform wird ein aus nichtrostendem Stahl bestehendes Rohr ähnlich dem Rohr 1 in der F i g. 1, jedoch mit einer Bohrung von 0,635 cm und einer inneren Silberplattierung von 0,005 cm Dicke an seiner Innenwandung, am unteren Ende durch einen festen Pfropfen verschlossen. Gekrümmte oder bogenförmige Scheiben (wie in der Fig. 3 dargestellt) mit einem Innenkörper 18 aus spaltbarem Material und mit entsprechenden oberen

ίο und unteren silberplattierten Schichten 19 und 20 werden im Rohr, entweder einzeln oder in kleinen Gruppen, untergebracht und flach gedrückt. Die Krümmung der Scheiben ist solcherart, daß der Ausgangs- oder Grunddurchmesser von 0,622 cm bei gekrümmten Scheiben durch das Flachdrücken auf 0,635 cm vergrößert wird. Die Scheiben werden dadurch im Rohr fest verankert, so daß ein guter thermischer Kontakt entsteht. Scheiben und Rohr werden dadurch in einem Zustand elastischer Spannung gehalten, und die Kontaktberührung wird auch bei Temperaturschwankungen aufrecht- oder beibehalten. Wenn das Rohr völlig mit Scheiben gefüllt und diese dann zusammengedrückt sind, wird ein einfacher Verschlußpfropfen auf das obere Ende des Rohres aufgeschweißt.

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Brennelementes, bei der eine aufeinandergestapelte Anordnung oder Bauteilgruppe von Tabletten- bzw. Plattenkörpern 21 aus oxydischem Brennstoff in einer Metallhülse 23 enthalten ist. Die einzelnen Tabletten 21 sind voneinander durch dünne Scheiben 22 aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer oder Silber, getrennt. Die gekrümmten Scheiben 22 sind so bemessen, daß sie einen guten thermisehen Kontakt mit der Innenseite der Hülse 23 gewährleisten. Eine brauchbare Methode zur Elementherstellung besteht darin, daß die Innenoberfläche der Hülse mit einem geeigneten Lötmittel leicht überzogen wird, dann abwechselnd Brennstofftabletten 21 und Scheiben 22 eingefüllt und zusammengedrückt werden, um den Tabletten- und Scheibenstapel zu festigen, und daß dann die Gesamtbauteilgruppe auf eine Temperatur erhitzt wird, die dem Schmelzpunkt des Lötmittels entspricht. Das Lötmittel sammelt sich durch Kapillarwirkung an den Verbindungsstellen zwischen den Scheiben 22 und der Wand der Hülse 23 an, wodurch ein ununterbrochener Wärmeleitweg hergestellt wird. Durch das Anschweißen von End- bzw. Verschlußkappen wird der Herstellungsvorgang vervollständigt bzw. abgeschlossen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einer mit Endkappen versehenen Schutzhülle, in der ein durch Metallscheiben unterteilter Stapel von scheibenförmigen Brennstoffkörpern untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheiben (5, 6) ein kugelförmig gekrümmtes Profil besitzen und daß ein relativ zur Endkappe (2) der Schutzhülle (1) zusammendrückbarer Bauteil (8) vorgesehen ist, der den Stapel (3) axial zusammenpreßt und somit die Metallscheiben an die Schutzhülle drückt.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Brennstoffkörper (18) im Stapel (3) ein kugelförmig gekrümmtes Profil besitzen.