DE1213064B - Verfahren zur Herstellung von Kernreaktor-Brennstoffelementen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1213 064

Aktenzeichen: A 37719 VIII c/21 g

Anmeldetag: 22. Juni 1961

Auslegetag: 24. März 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kernreaktor-Brennstoffelementen, die aus gestapelten, in einem metallischen Wärmeaustauschmaterial eingebetteten und in einem Behälter angeordneten Brennstoffstücken bestehen.

Es ist bekannt, Kernbrennstoff in einem metallischen Wärmeaustauschmedium einzubetten, das zwischen dem Brennstoff und dem zylindrischen Brennstoffbehälter angeordnet ist. Solche Brennstoffelemente werden gewöhnlich wie folgt hergestellt:

Der zylindrische Behälter wird mit dem Brennstoff gefüllt, der gewöhnlich aus relativ kurzen, in dem Behälter zu einem Brennstoffsatz gewünschter Länge gestapelten Stücken besteht. Der mit dem Bodenverschluß versehene zylindrische Behälter wird dann senkrecht in eine Schmelze des gewünschten metallischen Wärmeaustauschmediums in der Weise eingelassen, daß das obere offene Ende des Behälters ein kleines Stück über das Metallschmelzbad hinausragt. Wenn der Behälter und der Brennstoff die Badtemperatur erreicht haben, wird der Behälter tiefer eingelassen, um das flüssige metallische Wärmeaustauschmedium in den Behälter hineinlaufen zu lassen. Nach einem anderen bekannten Verfahren kann das metallische Wärmeaustauschmedium auch als Schmelze durch einen Trichter in den Behälter, gegebenenfalls unter plötzlicher Drucksteigerung, eingegossen oder eingepreßt werden. Diese Verfahren haben verschiedene Nachteile. Wenn der Raum zwischen dem Behälter und dem Brennstoffsatz eng ist, ist es normalerweise nicht möglich, eine von Hohlräumen freie Füllung zu erhalten, außer wenn der Brennstoffsatz so kurz ist, daß er keinen praktischen Wert hat. Nach dem erstgenannten Verfahren läßt sich außerdem eine Verschmutzung der Außenseite und des Mundstückes des Behälters mit dem metallischen Wärmeaustauschmedium nicht vermeiden. Dies macht einen schwierigen Reinigungsprozeß erforderlich, der nicht immer zufriedenstellende Ergebnisse zeitigt.

Es ist weiterhin bekannt, die Oberflächen von Brennstoffstücken mit dünnen metallischen Überzügen zu versehen und danach die Brennstoffstücke in den Behälter einzufüllen. Hierdurch wird jedoch keine genügend dichte Füllung zwischen den Brennstoffstücken und der Behälterwand erreicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Kernreaktor-Brennstoffelementen des vorerwähnten Typs eine von Hohlräumen völlig freie Füllung zu erreichen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß Brennstoffstücke und plattenförmige Stücke des Verfahren zur Herstellung von Kernreaktor-Brennstoffelementen

Anmelder:

Atomenergiekommissionen, Kopenhagen

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner, Patentanwalt,

Berlin-Dahlem, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:

Aage Christian Winther, Roskilde;

Öle Eriksen, Kopenhagen (Dänemark)

Beanspruchte Priorität:

Dänemark vom 28. Juni 1960 (2499)

metallischen Wärmeaustauschmaterials abwechselnd in den Behälter in an sich bekannter Weise eingeführt werden und das Brennstoffelement zum Schmelzen des metallischen Wärmeaustauschmaterials erhitzt wird, wobei der Brennstoffsatz erforderlichenfalls einem geeigneten Druck unterworfen wird.

Hierdurch wird erreicht, daß sich das metallische Wärmeaustauschmaterial leicht zwischen dem Behälter und den Brennstoffstücken verteilt. Durch die Wahl der richtigen Menge an Wärmeaustauschmedium in bezug auf die Brennstoffmenge und zum inneren Volumen des Behälters läßt sich somit leicht eine von Hohlräumen völlig freie Füllung erreichen, was die Wärmeableitung aus den Brennstoffelementen weitgehend begünstigt. Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Brennstoffelemente besitzen durch die vollständige Ausfüllung des Raumes zwischen Brennstoff und Behälter somit eine bedeutend höhere Wärmeaustauschfähigkeit als jene bekannten Brennstoffelemente, bei denen zur Erhöhung der Wärmeaustauschkapazität Metallscheiben zwischen Brennstoffstücken angeordnet und am Behälter angelötet oder angeschweißt sind und bei denen in Anbetracht der zwischen den Brennstoffstücken einerseits und dem Metallbehälter andererseits verbleibenden Luftschichten es nicht möglich ist, die Wärmeaustauschfähigkeit auf das durch die Erfindung erzielte Ausmaß zu steigern.

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Claims (1)

1. 3 4

   Zweckmäßigerweise wird das metallische Wärme- oxyd, geeignet, der gewöhnlich in Form von kurzen austauschmaterial in Form von Platten verwendet. zylindrischen Stangen hergestellt wird.
   Die Brennstoffstücke sind gewöhnlich als kurze zy- Als metallisches Wärmeaustauschmaterial können lindrische Stangen ausgebildet. Die metallischen alle Metalle und Legierungen mit geeigneten kern-Platten sind beispielsweise durch Ausstanzen aus dem 5 physikalischen Eigenschaften und einem Schmelzjeweiligen Metallblech leicht herzustellen. Der punkt, der unter der Temperatur liegt, bei der der Durchmesser der metallischen Platten kann gleich Brennstoff und der Behälter beschädigt werden, ver- oder annähernd gleich dem Durchmesser der zylin- wendet werden. Gewünschtenfalls können Metalldrischen Brennstoffstangen gewählt werden. Die legierungen, wie Natrium-Kalium-Legierungen, mit Stärke der metallischen Platten kann unter Berück- io einem unter Raumtemperatur liegenden Schmelzsichtigung der Länge der Brennstoff stangen und des punkt verwendet werden. In diesem Falle, wird der Abstandes zwischen den Stangen und der Behälter- Behälter unter Kühlung gefüllt und die Erhitzung so wand leicht vorausberechnet werden. Bei der Be- durchgeführt, daß man den Behälter beispielsweise rechnung dieser Stärke wird gewöhnlich ein Auf- der Raumtemperatur aussetzt. Im allgemeinen werschlag gemacht, um zu gewährleisten, daß das me- 15 den jedoch zweckmäßig Metalle mit einem über tallische Wärmeaustauschmaterial, wenn es geschmol- Raumtemperatur liegenden Schmelzpunkt verwendet, zen ist und die Brennstöffstangen gepackt sind, die die aber vorzugsweise bei der Temperatur, bei der obere der Brennstoffstangen bedeckt. Weiterhin muß die Brennstoffelemente betätigt werden, in geschmol· natürlich berücksichtigt werden, ob die metallischen zenem Zustand vorliegen. Geeignete Metalle sind Platten zwischen jeweils zwei Brennstoffstangen oder 20 sowohl Blei, Zinn, Antimon und Wismut als auch in weiterem Abstand innerhalb des Behälters ange- Legierungen dieser Metalle,
   ordnet werden. Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit

   Das Füllen des Behälters mit metallischen Platten der Zeichnung, die ein Brennstoffelement während und Brennstoff stangen kann von Hand, mechanisch des Schmelzprozesses zeigt, näher erläutert,
   oder gewünschtenfalls automatisch, beispielsweise 25 Das Brennstoffelement besteht aus einem zylindridurch eine vibrierende Rinne vorgenommen werden, sehen Behälter 1> dessen Boden mit dem Stopfen 2 auf die die Brennstoffstangen und die metallischen verschlossen ist. Der Behälter wird mit Brennstoff-Platten aus zwei Vorratsbehältem abwechselnd auf- stangen 3 gefüllt, zwischen denen das metallische gegeben werden. Wärmeaustauschmaterial in Form von Platten 4 einWenn der Behälter auf die beschriebene Weise ge- 30 gelagert wird. An seinem oberen Ende weist der Befüllt ist, wird er zum Schmelzen des Wärmeaustausch- hälter 1 eine aus einer Verbindungsscheibe 5 und materials erhitzt. Das Erhitzen kann durch Senken einem durch die Feder 7 belasteten Fuß 6 bestehende des Behälters in einen senkrechten Ofen vorgenom- Druckvorrichtung auf .Die Verbindungsscheibe 5 und men werden. Es ist jedoch zweckmäßiger, wenn der der Fuß 6 sind so ausgeführt, daß Luft aus dem Behälter erfindungsgemäß mit geeigneter Geschwin- 35 Behälter 1 entweichen kann. Die Verbindungsdigkeit durch eine Erhitzungszone geschoben wird, scheibe 5 kann beispielsweise perforiert sein, wähbeispielsweise durch eine Hochfrequenzspule, und rend der Fuß 6 eine Scheibe sein kann, die nicht ganz zwar in der Weise, daß das Wärmeaustauschmaterial dicht an der Behälterwand abschließt. An seinem fortlaufend von einem Ende zum anderen schmilzt. oberen Ende ist der Behälter 1 mit einem zu einer

   In diesem Falle ist das Erhitzen billig und kann in 40 Pumpe führenden Vakuumrohr 8 verbunden. Zum

   einfachen Apparaturen vorgenommen werden, wobei Erhitzen wird der Behälter 1 in Richtung des

   darüber hinaus die Luft in den Hohlräumen zwischen Pfeiles 9 durch eine Erhitzungszone 10 geschoben,

   den Brennstoffstangen und dem Behälter leicht ent- so daß die Platten 4 fortlaufend schmelzen. Durch

   weichen kann. den Druck der Druckvorrichtung und die durch den

   Um zu gewährleisten, daß die Luft entweicht und 45 Vibrator 11 verursachte Vibration wird das ge-

   die Brennstoffstangen so dicht wie möglich gepackt schmolzene Metall der Platten 4 in den Raum zwi-

   sind, werden die Behälter während ihrer Erhitzung sehen den Brennstoffstangen 3 und dem Behälter 1

   erfindungsgemäß einer Vibration unterworfen. sowie zwischen den zusammengepackten Brennstoff-

   Die Entfernung der Luft aus den Behältern kann stangen gepreßt. Da das Schmelzen der Platten 4 und

   ferner dadurch gefördert werden, daß das Innere der 50 das Ausfüllen des genannten Raumes fortlaufend

   Behälter erfindungsgemäß unter Vakuum gehalten vom Boden aus erfolgt, kann die Luft in dem Raum

   wird. ohne Schwierigkeiten entweichen, was darüber hinaus

   Zur dichteren Packung der Brennstöffstangen im mittels Evakuierung durch das Vakuumrohr 8 noch

   Behälter und zur gleichzeitigen Ausschaltung von gefördert wird.

   Hohlräumen zwischen den einzelnen Stangen und 55

   zwischen den Stangen und der Behälterwand kann Patentansprüche:
   erfindungsgemäß eine Druckvorrichtung in das obere

   Ende des Behälters während der Erhitzung einge- 1. Verfahren zur Herstellung von Kernreaktorführt werden, wobei ein Ende der Druckvorrichtung Brennstoffelementen, die aus gestapelten, in einem in bezug auf den Behälter befestigt ist, während das 60 metallischen Wärmeaustauschmaterial eingebetteandere Ende einen federbelasteten Fuß aufweist, der ten und in einem Behälter angeordneten Brenngegen die oberste Brennstoffstange drückt. stoff stücken bestehen, dadurch gekenn-

   Das Verfahren nach der Erfindung kann in allen zeichnet, daß Brennstoffstücke und plattenden Fällen angewendet werden, wo die Einbettung förmige Stücke des metallischen Wärmeauseiner Reihe von Brennstoffstücken in einem metalli- 65 tauschmaterials abwechselnd in den Behälter in sehen Wärmeaustauschmaterial erwünscht ist, jedoch an sich bekannter Weise eingeführt werden und ist es besonders in Verbindung mit keramischem dann das Brennstoffelement zum Schmelzen des Brennstoff, wie beispielsweise Uran- oder Thorium- Wärmeaustauschmaterials erhitzt wird, Wobei der

   Brennstoffstückensatz erforderlichenfalls einem geeigneten Druck unterworfen wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schmelzen des Wärmeaustauschmaterials das Brennstoffelement mit geeignerer Geschwindigkeit durch eine Erhitzungszone, beispielsweise durch eine Hochfrequenzspule, derart geführt wird, daß das Wärmeaustauschmaterial fortlaufend von einem Ende des Brennelementes zum anderen Ende schmilzt.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffelement während der Erhitzung einer Vibration unterworfen wird.

   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Brennstoffelement während der Erhitzung ein Vakuum herrscht.

   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in das obere Ende des Behälters während der Erhitzung eine Druckvorrichtung eingeführt wird, deren eines Ende in bezug auf den Behälter befestigt ist, während das andere Ende einen federbelasteten Fuß aufweist, der gegen das obere Brennstoffstück drückt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Auslegeschriften Nr. 1011536,
   1041180,1 068 821;

   französische Patentschriften Nr. 1220 414,
   231;

   »Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 6, 1958, S. 379 bis 383.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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