DE1205632B - Brennelement fuer Kerhreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G 21 c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1205 632

Aktenzeichen: G 32418 VIII c/21 g

Anmeldetag: 6. Juni 1961

Auslegetag: 25. November 1965

Anmelder:

General Dynamics Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.) Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann

und Dipl.-Ing. H. Weickmann, Patentanwälte,

München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Walter Paul Wallace, Encinitas, Calif.;

Massoud T. Simnad, SanDigo, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 8. Juni 1960 (34 667)

Brennelement für Kernreaktoren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennelement, dessen konisch ausgebildete Enden

aufweisender fester Spaltstoffkörper in einem Behälter eingeschlossen ist und mit diesem in Berührung

steht. 5

Es sind Kernreaktor-Brennelemente bekannt, die

einen festen Körper aus spaltbarem Stoff oder aus einem Gemisch von spaltbarem Stoff und Brütmaterial aufweisen, und zwar in Verbindung mit oder ohne

andere Stoffe, wie z. B. moderierende Stoffe. io

Der Körper aus spaltbarem Stoff ist dabei in einen

enganüegenden, metallischen Behälter eingeschlossen, so daß eine gute Wärmeleitfähigkeit nach außen gewährleistet und außerdem das Entweichen von Spaltprodukten unterbunden oder zumindest ver- 15

langsamt ist.
Es ist auch ein Kernreaktor-Brennelement bekannt,

bei dem der aus Pellets aufgebaute Spaltstoffkörper in einem geschlossenen Behälter untergebracht ist, wobei die an den Enden des Spaltstoffkörpers vorge- 20

sehenen Pellets verjüngt ausgebildet sind.
Brennelemente der vorstehend beschriebenen Art

sind in Kernreaktoren bereits angewandt worden. 2

Dabei ergaben sich unter bestimmten extremen Bedingungen jedoch Schädigungen, die vermieden werden 25 zu verbessern, daß die Tendenz zu einer irreversiblen sollten. Zum Beispiel hat sich gezeigt, daß bei mehr- Dehnung geringer wird.

malig plötzlicher großer Steigerung der Leistungs- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

erzeugung (ζ. B. durch Herausziehen aller oder einiger gelöst, daß der Spaltstoffkörper im Bereich seiner Kontrollstäbe aus dem Reaktor) meßbare Formände- konisch ausgebildeten Enden vom Behälter durch rungen an den Brennelementen auftreten. Insbesondere 30 einen Spalt beabstandet ist.

treten erhebliche permanente Dehnungen der Brenn- Angenommen, es sei bei einem Brennelement, das

Stoffbehälter ein. in einem geschlossenen Metallbehälter einen beidseitig

Es besteht Grund zu der Annahme, daß diese be- von je einem Moderatorblock begrenzten Spaltstoffobachteten Dehnungen der Brennstoffbehälter zu- körper enthält, kein Abstand zwischen dem Spaltstoffmindest teilweise darauf zurückzuführen sind, daß 35 körper und den Moderatorblöcken und auch kein die thermische Expansion des Spaltstoffkörpers und Abstand zwischen den Moderatorblöcken und dem des metallischen Behälters voneinander verschieden oberen bzw. unteren Ende des Behälters vorgesehen, sind, wenn eine rapide Erhitzung des Spaltstoff körpers Wird solch ein Brennelement rasch erhitzt, so kann der eintritt. Spaltstoffkörper bei entsprechender Stoffzusammen-

So stoßen beispielsweise bei den bekannten Brenn- 40 Setzung sich gegebenenfalls rascher ausdehnen als der elementen die Spaltstoffkörper gegen die Stirnwände Behälter. Wenn dies eintritt, drückt der Spaltstoffdes Behälters; eine Expansion der Spaltstoff körper körper gegen die Moderatorblöcke, die ihrerseits führt daher sehr häufig zu einer irreversiblen Dehnung gegen die Enden des Behälters drücken. Ist dieser des Behälters. Druck groß genug, so wird der Behälter in seiner

Auf welche Gründe auch immer die Dehnung zurück- 45 Länge beispielsweise um ¹I₂Cm gedehnt, bevor er sich zuführen sein mag, Tatsache ist, daß der Brennstoff- selbst auf Grund der Erwärmung des Brennelements behälter eine Dehnung erleidet; wenn diese Dehnung auszudehnen beginnt. Wenn das Brennelement abzu groß wird, so kann der Behälter kaputtgehen. gekühlt wird, kehren der Behälter und der Spaltstoff-Eine Zerstörung des Behälters hat aber eine Ver- körper auf ihre Normalabmessungen zurück. Da unreinigung des gesamten Reaktorsystems zur Folge. 50 jedoch der Druck des Spaltstoffkörpers gegen die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Kernreaktor- Moderatorblöcke den Behälter verlängert hat, bevor Brennelement der oben genannten Art dahingehend er sich auf Grund der Wärmeausdehnung verlängerte,

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kehrt der Behälter nicht ganz auf seine Normallänge phit oder einem anderen moderierenden Stoff aufge-

zurück; er bleibt nämlich genau den V₂ cm länger, um baut sein.

den er zunächst gedehnt wurde. Bei der nächsten In F i g. 2 erkennt man, daß die sehr glatte Mantel-Wärmebelastung dehnt sich der Spaltstoff körper fläche 29 des Spaltstoff körpers 23 an der inneren Oberwiederumrascher aus als der Behälter. Da jedoch der S fläche des Behältermantels anliegt; die Oberflächen-Behälter schon etwas langer geworden ist, nämlich unregelmäßigkeiten sind so weit vermindert, daß der um den genannten V₂ cm, bewirkt die Wärmeaus- Spaltstoffkörper 23 durchschnittlich nur noch Flächendehnung des Spaltstoffkörpers keine zusätzliche Ver- unregelmäßgkeiten von 250 bis 500 · 10~/ mm Höhe längerung des Behälters mehr. aufweist. Die Innenoberfläche 31 des Behälters 7,

Hat der Spaltstoffkörper eine scharfe Kante, die i° soweit sie an dem Spaltstoffkörper anliegt, ist ebenfalls

an der Innenwand des Behälters anliegt, so kratzt diese glatt, so daß nur geringe Reibung an der Grenzfläche

Kante in die Behälterinnenwand bei jeder thermischen zwischen dem Spaltstoff körper und dem Behälter

Belastung und dehnt daher bei jeder thermischen Be- auftritt, wenn das Brennelement einer plötzlichen

lastung von neuem den Behälter in Längsrichtung. Leistungssteigerung des Reaktors unterworfen ist, Schließlich kann der Behälter dabei sogar zerreißen. 15 obwohl der Behälter eng an dem Spaltstoffkörper an-

Die konisch verjüngten Edden des Spaltstoffkörpers liegt. Darüber hinaus ist ein Spalt von etwa 3 mm

verhindern, daß scharfe Kanten am Spaltstoffkörper zwischen dem Behälter und einem oder mehreren der

längs der Behälterinnenwand kratzen und den Be- innerhalb des Behälters untergebrachten Teile frei

halter wiederholt dehnen. Der Behälter bleibt daher gelassen. So können z. B. das obere Endstück und heil; insbesondere kann er nach einer Vielzahl von ao der benachbarte zylindrische Körper 27 durch einen

Wärmebelastungen, jedenfalls auf Grund des ge- Spalt voneinander beabstandet sein, der sich auch an

nannten Effekts nicht zerreißen. Wenn der Spaltstoff- der Seitenwand des zylindrischen Körpers 27 und des

körper und der Behälter sich zugleich um das gleiche Behälters fortsetzt und der dem Spaltstoffkörper eine

Maß dehnen würden, würden die konischen Ver- Expansion erlaubt, ohne daß sich der Behälter de-

jüngungen an den Enden des Spaltstoffkörpers nicht 25 formieren muß.

erforderlich sein. Sie sind nur dann erforderlich, Wie in der F i g. 1 dargestellt ist, hat der Spaltstoffwenn die Ausdehnung von Spaltstoffkörper und körper im wesentlichen zylindrische Form und ist Behälter nicht zugleich erfolgt und unterschiedlich ist. an seinen endseitigen Umfangsflächen verjüngt aus-Dieser Fall liegt aber in der Praxis stets vor. gebildet. Vorzugsweise sind die Enden des Spaltstoff-

An Hand der Figuren soll die Erfindung näher 3° körpers nach den Stirnflächen hin progressiv verjüngt,

erläutert werden. Es stellt dar wie in der F i g. 2 dargestellt ist. Der Grad der Ver-

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Brennelements jüngung an den Enden ist beliebig. Es hat sich jedoch

nach der Erfindung, teilweise im Schnitt, zwecks gezeigt, daß eine Verjüngung von 0,025 Längeneinheiten

Kenntlichmachung des Brennelementinneren, auf 2 Längeneinheiten an den Enden des Spaltstoff-

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht der Fig. 1. 35 körpers ausreicht, um die Gefahr einer irreversiblen

Das erfindungsgemäß ausgebildete Brennelement Dehnung des Behälters zu vermindern,

umfaßt einen festen Körper aus spaltbarem Stoff und Das Brennelement enthält ferner eine gegen hohe

einen diesen festen Körper eng umschließenden Be- Temperaturen beständige Schmiermasse 33 zwischen

halter. dem Spaltstoffkörper 23 und dem Behälter 7. Diese

In F i g. 1 weist das Brennelement 5 einen hohlen, 40 Schmiermasse befindet sich insbesondere zwischen der

geschlossenen, im großen und ganzen zylindrischen, Seitenwand 9 und der unmittelbar an ihr anliegenden

metallischen Behälter 7 mit Mantel 9 auf. Das obere zylindrischen Mantelfläche des Spaltstoffkörpers. Als

und das untere Ende dieses Behälters sind mit End- schmierende Masse kommt z. B. kolloidaler Graphit

stücken 11 und 13 verschweißt. in Frage, der Reaktortemperaturen auch noch von

Das obere Endstück 11 weist eine ringförmige Ein- 45 2000⁰C und mehr standhält und bei diesen hohen schnürung 15 auf, an welcher ein Hebezeug angreifen Temperaturen noch als Schmiermittel wirksam ist. kann, um das Brennelement nach dem Inneren eines Daneben können auch andere Schmiermittel mit Reaktorherzens einführen und aus diesem wieder ent- genügend hoher Wärmestabilität und Strahlungsnehmen zu können. Stabilität und mit ausreichenden Schmiereigenschaften

Ein Abstandring 17 umgibt das obere Ende des 50 verwendet werden, so z. B. Molybdändisulfid.

oberen Endstücks; es erlaubt die seitliche Aus- Der Behälter des Brennelements wird vorzugsweise

richtung des Brennelements. Das untere Endstück 13 aus Aluminium hergestellt, das einer Wärmebehand-

weist eine zentrale Verlängerung 19 auf, die mit einer lung unterworfen worden ist. Zum Beispiel eignet sich

konischen Schulterfläche 21 versehen ist; dank der solches Aluminium, das auf etwa 700⁰F während einer

konischen Schulterfläche 21 ist die Anpassung an 55 Zeit von 5 bis 60 Minuten etwa erhitzt wurde und dann

einen unteren Tragrost eines Reaktorherzens möglich. innerhalb einer Zeitspanne von etwa 30 Minuten auf

Der Mantel 9 des Behälters 7 liegt eng an den mitt- Zimmertemperatur abgekühlt worden ist. Weniger

leren Partien des Spaltstoffkörpers 23 an. Platten aus geeignet ist ein Verfahren, bei dem die Heißbehandlung

abbrennbarem Gift können zu beiden Seiten des schon an dem fertigen Behälter ausgeübt wird, vor

Spaltstoffkörpers angeordnet sein; zylindrische Mode- 60 oder nach dem Zusammenbau des Brennstoffelements,

ratorkörper 27 können zwischen den abbrennbaren Grundsätzlich ist das heißbehandelte Aluminium

Giftplatten und den Endstücken untergebracht sein. gegen Rißbildung stärker widerstandsfähig als AIu-

Der Spaltstoffkörper 23 kann spaltbare Stoffe in minium, welches eine solche Heißbehandlung nicht

fester Form allein oder zusammen mit brütbarem erhalten hat.

Stoff enthalten; z. B. kann er aus einer homogenen 65 Bei der Herstellung des Brennelements können in

Mischung von Uran 238, Uran 235 und Zirkonium- jeder geeigneten Herstellungsstufe die Spaltstoffkörper

hydrid als Moderator bestehen. Die zylindrischen in dem gewünschten Maße an ihren Enden verjüngt

Moderatorkörper 27 können aus Berylliumoxyd, Gra- werden nach einem der bekannten spanabhebenden

oder spanlosen Metallbearbeitungsverfahren, ζ. B. durch Strangpressen, Pressen oder Schleifen.

Darüber hinaus kann die Glättung der Oberfläche des Spaltstoffkörpers insbesondere dort, wo dieser an der Seitenwandung des Behälters in dem fertigen Brennelement anliegt, nach bekannten Metalloberflächenbehandlungsverfahren erfolgen, z. B. durch Polieren oder Schleifen. Wenn gewünscht, kann auch die Innenfläche des Behälters gut geglättet werden.

Alternativ oder zusätzlich kann die äußere Fläche des Spaltstoffkörpers und/oder die Innenfläche des Behälters geschmiert werden, dadurch, daß ein Belag von vorzugsweise geringer Schichtstärke, beispielsweise 0,125 mm aus einem gegen hohe Temperaturen beständigen Schmiermittel, etwa Molybdändisulfid, aufgetragen wird. Der Spaltstoffkörper wie auch der Behälter sind gewöhnlich auf genau passenden Sitz hin zugearbeitet. Das Schmiermittel erleichtert deshalb auch das Einbringen des Spaltstoffkörpers in den Behälter, bevor die Endstücke angebracht werden.

Nach dem Einsetzen des Spaltstoffkörpers in den Behälter werden die übrigen Teile, z. B. die Platten aus Reaktorgift und die zylindrischen Moderatorkörper in den Behälter eingesetzt, und dieser wird hierauf an seinen Enden durch Anbringen der oberen und unteren Endstücke verschlossen, z. B. verschweißt. Damit ist das Brennelement im wesentlichen fertig. Das obere Endstück sowie der zylindrische Körper aus moderierendem Material und der Behälter sind so aufeinander abgestimmt, daß ein die freie Ausdehnung des Spaltstoffkörpers zulassender Spalt frei bleibt.

Im Anschluß an die Zusammensetzung wird das Brennelement auf Undichtigkeit untersucht; seine Außenabmessungen werden nachgemessen, und schließlich kann eine anodische Oberflächenbehandlung stattfinden, um die Zerstörung des Behälters zu verlangsamen.

Bei einer bevorzugten Ausführung eines Brennelements besitzt der Spaltstoffkörper einen Durchmesser von 3,55 cm und eine Länge von 33 cm. Die Gesamtlänge des Brennelements ist 70 cm. Es umfaßt zwei zylindrische Körper aus Graphit, jeder mit einer Länge von 10 cm, und zwei sehr dünne Scheiben aus abbrennbarem Gift.

Der Spaltstoffkörper besteht aus einer Legierung von 8°/o Uran 238, welches auf annähernd 20% Uran 235 angereichert ist, und 92% Zirkonhydrid, in dem der Wasserstoffgehalt zum Zirkongehalt etwa 1:1 ist. Der zylindrische Spaltstoffkörper erhält eine Verjüngung von 0,025 Längeneinheiten auf 2 Längeneinheiten bei einer Gesamtlänge der Verjüngung von 5 cm.

Der Spaltstoffkörper ist geschliffen und poliert, so daß Erhebungen höchstens noch in einer Höhe von 40 · 10"' mm vorhanden sind; außerdem ist eine dünne Schicht aus kolloidalem Graphit oder Molybdändisulfid vorgesehen. Der Spaltstoff körper ist in einen dünnen, enganliegenden Behälter von 0,75 mm Wandstärke eingeschlossen. Dieser Behälter ist ein Aluminiumrohr; es ist an beiden Enden durch Aluminiumstücke verschlossen.

Brennelemente nach der Erfindung zeigen auch bei wiederholtem Hochgehen der Reaktorleistung kaum eine Tendenz zu irreversibler Dehnung; es treten keine Risse und Brüche auf. Es wurden Beobachtungen bei 700maligem Hochgehen von unterschiedlichem Ausmaß durchgeführt, und niemals trat ein Riß oder ein Bruch ein, während bei Fehlen der Verjüngung und der Glättung sowie der Schmierung und weiter bei Verwendung von nicht wärmebehandeltem Aluminium und bei Fehlen des Expansionsspalts irreversible Dehnungen bis zu 2,5 cm und mehr auftraten, die ganz erhebliche Brüche im Gefolge hatten.

Der Erfindungsvorschlag steigert somit die Sicherheit und Dauerbelastbarkeit von Kernreaktoren.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennelement, dessen konisch ausgebildete Enden aufweisender fester Spaltstoffkörper in einem Behälter eingeschlossen ist und mit diesem in Berührung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoffkörper im Bereich seiner konisch ausgebildeten Enden vom Behälter durch einen Spalt beabstandet ist.

2. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus wärmebehandeltem Aluminium hergestellt ist und daß der Spaltstoffkörper aus feinem im wesentlichen homogenen Gemisch von Uran und Zirkoniumhydrid aufgebaut ist.

3. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoffkörper im wesentlichen zylindrische Form besitzt.

4. Kernreaktor-Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoffkörper eine geglättete Oberfläche hat, zumindest in dem Bereich, in dem er an dem Behälter anliegt.

5. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Spaltstoff körpers und/oder die Innenwand des Behälters auf einem Glättegrad bearbeitet sind, bei dem Abweichungen von höchstens noch 250 bis 500 · 10-^e mm auftreten.

6. Kernreaktor-Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmiermittelschicht aus einem bei Betriebstemperaturen des Reaktors noch wirksamen Schmiermittel zwischen dem Spaltstoffkörper und dem Behälter vorgesehen ist.

7. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel kolloidaler Graphit ist.

8. Kernreaktor-Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden des Spaltstoffkörpers zylindrische Körper aus moderierendem Stoff angeordnet sind und daß die Größe dieser zylindrischen Körper derart auf die des Behälters abgestimmt ist, daß Spalte übrigbleiben, welche eine Bewegungsmöglichkeit zulassen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 011 536, 1 015 952, 1051422, 1077 341, 1079 230;

französische Patentschrift Nr. 1 220 414;

britische Patentschrift Nr. 829 139;

USA.-Patentschriften Nr. 2 736 696, 2 864 758,
886 503;

»Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, VoI 6, 1958, S. Ill bis 115.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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