DE1245503B - Kernreaktor-Brennelement - Google Patents
Kernreaktor-BrennelementInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
Int. Cl.;
G21c
Deutsche Kl.: 21g-21/20
Nummer: 1245 503
Aktenzeichen: N 22817 Vmc/21g
Anmeldetag: 28. Februar 1963
Auslegetag: 27. Juli 1967
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennelement, innerhalb dessen Hülle keramischer
Brenstofi und sonstiges keramisches Material getrennt voneinander in unmittelbar aneinandergrenzenden
Bereichen angeordnet sind.
Das Bestreben beim Betrieb von Kernreaktoren geht dahin, den KernbrennstofE in den -Kernbrennelementen
bei möglichst hoher Temperatur zu verbrennen. Als besonders geeignet in dieser Hinsicht
kaben sich keramische Kernbrennstoffe erwiesen, die demzufolge in Hochtemperatur-Reaktoren bevorzugt
Anwendung finden. Bei hoher Temperatur ist jedoch die Diffusionskonstante flüchtiger Spaltprodukte
groß. Die Verwendung einer keramischen Schutzhülle kann somit bewirken, daß flüchtige Spaltprodukte
durch Risse der Brennelemente in das primäre Kühl- . system austreten. Aus der deutschen Auslegeschrift
1077341 sind Brennelemente für Kernreaktoren bekanntgeworden, bei denen keramische Kernbrennstoffe
zur Anwendung kommen. Bei diesen Brennelementen wird das Austreten leicht flüchtiger Spaltprodukte
in das primäre Kühlsystem dadurch vermieden, daß der Kernbrennstoff zusammen mit keramischem
Material in einer hermetisch abgeschlossenen Schutzhülle enthalten ist. Auf Grund der für
einen gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor typischen sehr hohen Temperatur der Kernbrennstoffe ist
es jedoch unmöglich, diese in verschlossenen Schutzhüllen während des Betriebes zu halten, da der bei
sehr hoher Temperatur durch die sich ,bildenden flüchtigen Spaltprodukte entstehende Druck sehr
große Wanddicken der Brennstoffhüllen erforderlich machen würde. Dadurch würde jedoch der durch
den Betrieb bei der hohen Temperatur erzielte Vorteil wieder auf Grund des starken Neutroneneinfangs
der Schutzhüllenwandung kompensiert.
Aus diesem Grund wurden für Hochtemperatur-Reaktoren Verfahren zur Verhütung des Leckens
oder Eindringens flüchtiger Spaltprodukte in das primäre Kühlsystem entwickelt, die darin bestehen, daß
zur Spülung ein Edelgas durch das Innere der Brennelemente geschickt wird, um die flüchtigen, aus der
Brermstoffimatrix ausdiffundierten Spaltprodukte in einer Sammelvorrichtung zu sammeln und zu fixieren.
Dabei ist die Sammelvorrichtung außerhalb der Brennelementmatrix vorgesehen. Eine gewisse Modifikation
dieses Verfahrens besteht darin, die flüchtigen Spaltprodukte von dem einen Ende der Brennelemente
her anzusaugen und sie ebenfalls in einer Sammelvorrichtung aufzusammeln. Erfahrungsgemäß
setzen sich die flüchtigen Spaltprodukte zu einem sehr großen Teü aus Jodverbindungen zusammen.
Anmelder:
Nihon Genshiryoku Kenkyu Sho, Tokio
Vertreter:
Vertreter:
DipL-Phys. G. Liedl, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 22
München 22, Steinsdorfstr. 22
Als Erfinder benannt:
Seishi Yajima,
Koreyuki Shiba,
Muneo Handa,
Seishi Yajima,
Koreyuki Shiba,
Muneo Handa,
Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken (Japan)
Beanspruchte Priorität:
Japan vom 1. März 1962 (8021)
Japan vom 1. März 1962 (8021)
Aus diesem Grund ist bei beiden obenerwähnten Verfahren der wesentüche Bestandteil der Sammelvorrichtung
für als Spaltprodukte vorliegende Jodverbindungen ein Kupfernetz. Kupfer fängt Jod wirksam
im Temperaturbereich von etwa 350 bis 450° C ein. Bei höheren Temperaturen nimmt die Einfangfähigkeit
des Kupfernetzes jedoch sehr rasch ab. Da keramische Brennstoffe bei Temperaturen bis zu
2000° C verbrannt werden, bedeutet das, daß zur Ausnutzung der Einfangfähigkeit des Kupfernetzes
die flüchtigen Spaltprodukte erst auf eine Temperatur von etwa 350 bis 450° C abgekühlt werden müssen.
Daraus resultieren die folgenden. Nachteile:
1. Die flüchtigen Spaltprodukte müssen, ausgehend von den Brennelementen, aus der Brennstoffmatrix
auf einem längeren Weg zur Sammelvorrichtung herausgeführt werden. Das erfordert
die Lösung verwickelter Probleme der Kerntechnik, beispielsweise die Verhütung der Vergiftung
dieses Weges, das Abschirmen hinsichtlich Radioaktivität usw.
2. Wegen der Notwendigkeit, die Sammelvorrichtung außerhalb der Brennelemente anzuordnen,
läßt sich das primäre Kühlsystem zur Abfuhr der in der Sammelvorrichtung entstehenden
Wärmemenge nicht verwenden, um dort die Temperatur auf dem gewünschten Wert konstant
zu halten. Es muß deshalb ein weiteres
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Kühl-(oder Heiz-)System zur Anwendung kommen, um die Temperatur in demjenigen Bereich
zu halten, in dem das Kupfer die höchste Einfangleistung zeigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, ein Kernreaktor-Brennelement vorzuschlagen,
das unter Verwendung keramischer Kernbrennstoffe bei der für Hochtemperatur-Reaktoren
typischen hohen Temperatur betrieben werden kann, den Neutroneneinfangquerschnitt der den eigentlichen
Kernbrennstoff umgebenden Schutzhülle auf ein Minimum reduziert und die als flüchtige Spaltprodukte
entstehenden Jodverbindungen bereits am Ort der Entstehung aufzufangen gestattet, um auf
diese Weise die obengenannten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zum Auffangen von als Spaltprodukte
vorliegenden Jodverbindungen, die aus dem keramischen Brennstoff ausdiffundieren, eine Schicht aus
keramischen Materialien unmittelbar axial an den Brennstoff anschließend angeordnet ist und daß die
Herstellung einer Zone mit einer Temperatur von 900 bis 1100° C in dieser keramischen Schicht beim
Reaktorbetrieb entweder durch entsprechende Bemessung der Gesamtdicke der keramischen Schicht
oder durch Kühlung erfolgt.
Als keramische Materiaüen für diesen Zweck eignen sich a-Alurniniumoxyd, Kalziumoxyd, Berylliumoxyd
und Graphit.
Aus Versuchen hat sich gezeigt, daß insbesondere cc-Aluminiumoxyd in der Lage ist, bei der obengenannten
Temperatur von 900 bis IlOO0C die in den flüchtigen Spaltprodukten enthaltenen Jodverbindungen
weitgehend einzufangen.
Unter Verwendung von a-Alumimumoxyd als wirksames Material wurden mit nachstehenden
Brennstoffproben mehrere Versuche durchgeführt:
a) Uran-Dioxydpulver mit einer Teilchengröße unter 1 Mikron;
b) eine Mischung aus Uran-Dioxydpulver mit einer Teilchengröße unter 1 Mikron und natürlichem
Graphitpulver mit einer Teilchengröße von etwa 30 Mikron im Gewichtsverhältnis 1:1;
c) eine Mischung aus Uran-Dioxydpulver mit einer Teilchengröße unter 1 Mikron und natürlichem
Graphitpulver mit einer Teilchengröße von etwa 30 Mikron im Gewichtsverhältnis 1:2;
d) eine Mischung aus Uran-Dioxydpulver mit einer Teilchengröße unter 1 Mikron und natürlichem
Graphitpulver mit einer Teilchengröße von etwa 30 Mikron im Gewichtsverhältnis 1:5.
Die obigen Proben wurden in einem Reaktor bestrahlt, um in ihnen Spaltprodukte zu erzeugen. Ein
Quarzrohr mit 7 mm Innendurchmesser und einer Länge von etwa 100 cm wurde mit Pulver aus «-Aluminiumoxyd
mit einer Teilchengröße von etwa 50 Mikron beschickt. Vor der Beschickung wurde das a-Aluminiumoxyd vollständig entgast. Nachdem
die jeweiligen, obengenannten Proben auf die Oberseite des Pulvers aus a-Aluminiumoxyd aufgebracht
waren, wurde das Ende des Quarzrohres, wo die Probe aufgebracht war, an eine Argongas-Reinigungsanordnung angeschlossen, so daß reines Argon in
das Rohr mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 ml pro Minute einströmen konnte. Nachdem das Gas in
dem Rohr vollständig durch reines Argongas ersetzt war, wurde das Rohr erhitzt, so daß sich ein linearer
Temperaturgradient längs des Rohres einstellte, der-S art, daß der die Brennstoffprobe enthaltende Teil
des Quarzrohres eine Temperatur von 1100° C und der von der Probe um 100 cm entfernte Teil des
Quarzrohres Raumtemperatur aufwies. Das entspricht einem Temperaturgradient entlang dem Quarzrohr
ίο von etwa 11° C/cm. Die Beheizung wurde während 3 Stunden unter obigen Bedingungen fortgesetzt und
hierauf abgeschaltet. Nachdem das gesamte Quarzrohr auf Raumtemperatur abgekühlt war, wurde die
.Argonzufuhr gestoppt. Hierauf wurde das Rohr mit Polyäthylenkappen an beiden Enden abgedichtet.
Anschließend wurde das Rohr mit einem Röntgenstrahl-Spektrometer auf die Anwesenheit von Jod 131
untersucht. Vor dem Natriumjodidkristall des Röntgenstrahl-Spektrometers wurde ein Bleischütz von
ao 1 cm Breite angeordnet. Es wurde die Intensität des Vorkommens von Jod 131 längs der gesamten Rohrlänge
gemessen.
Bei allen' untersuchten Proben wurde gefunden, daß im Temperaturbereich von etwa 900 bis IlOO0 C
in dem mit a-Alummiumoxydpulver beschickten Quarzrohr Jod 131 eingefangen war bzw. dessen
Verbindungen.
In der Zeichnung ist ein Beispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennelementes dargestellt. Die
Pfeilrichtung 1 bezeichnet die Strömungsrichtung des primären Kühlsystems; 2 ist die Saugleitung für ein
als Spülgas verwendetes Edelgas; 3 ist die Schutzhülle des Brennelementes; 4 ist das a-Aluminiumoxyd
oder eines der übrigen obenerwähnten keramischen Materiaüen; 5 ist die Filterplatte, und 6 ist
der keramische Kernbrennstoff.
Das erfindungsgemäß ausgebildete Brennelement bietet die folgenden Vorteile:
a) Der erforderliche auffangoptimale Temperaturbereich von etwa 900 bis IlOO0C stellt sich
auf Grund der durch die Kernspaltung entstehenden Wärme ein;
b) wenn die Betriebstemperatur der Kernbrennelemente so hoch ist, daß auf Grund der Abfallhitze
des als Spaltprodukt entstehenden Jods bzw. der Jodverbindungen die Temperatur der
keramischen Auffangmateriaüen, beispielsweise des a-Aluminiumoxyds, über die optimale Terns'3 peratur ansteigt, kann dies bereits von vornherein
dadurch berücksichtigt werden, daß man, ausgehend vom Kernbrennstoff, eine bestimmte
Schichtdicke der keramischen Auffangmateriaüen einhält. Es kann weiterhin erwogen werden,
die keramischen Auffangmateriaüen mit dem primären Külilmittel zu kühlen.
Die Erfindung ermöglicht es, auf die bisher bei gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren unvermeidüche
Kühlung und Temperatureinregelung des die Spaltprodukte absorbierenden Auffangmaterials
außerhalb der Brennstoffmatrix zu verzichten. Der Kernbrennstoff ist ledigüch von einer dünnen Metallschutzhülle
umgeben, wodurch ein Minimum an Neutronenverlusten entsteht.
Die axial unmittelbar an den Kernbrennstoff angrenzenden Auffangmaterialien halten in wirkungsvoller
Weise den hauptsächlich in flüchtigen Spalt-
Claims (2)
1. Kernreaktor-Brennelement, innerhalb dessen Hülle keramischer BrennstofE und sonstiges keramisches
Material getrennt voneinander in unmittelbar aneinandergrenzenden Bereichen angeordnet
sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auffangen von als Spaltprodukte vorliegenden
Jodverbindungen, die aus dem keramischen Brennstoff ausdiffundieren, eine Schicht
aus keramischen MateriaHen unmittelbar axial an den Brennstoff anschließend angeordnet ist und
daß die Herstellung einer Zone mit einer Tem-
peratur von 900 bis 1100° C in dieser keramischen Schicht beim Reaktorbetiieb entweder
durch entsprechende Bemessung der Gesamtdicke der keramischen Schicht oder durch Kühlung
erfolgt.
2. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen
MateriaKen der Schicht aus a-Aluminiumoxyd, Kalziumoxyd, BeryUiumoxyd und/oder Graphit
ίο bestehen.
In Betracht gezogene «Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 107 341;
USA.-Patentschriften Nr. 2 864 758, 3 010 889;
Hausnis and Schuman, Nuclear Fuel Elements, 1959, S. 201.
Deutsche Auslegeschrift Nr. 107 341;
USA.-Patentschriften Nr. 2 864 758, 3 010 889;
Hausnis and Schuman, Nuclear Fuel Elements, 1959, S. 201.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 618/435 7.67 © Bundesdruckeiei Berlin
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP80216262 | 1962-03-01 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1245503B true DE1245503B (de) | 1967-07-27 |
Family
ID=42139520
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEN22817A Withdrawn DE1245503B (de) | 1962-03-01 | 1963-02-28 | Kernreaktor-Brennelement |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1245503B (de) |
FR (1) | FR1357145A (de) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE107341C (de) * | ||||
US2864758A (en) * | 1954-03-17 | 1958-12-16 | Milton H Shackelford | Neutronic reactor fuel element |
US3010889A (en) * | 1958-08-08 | 1961-11-28 | Fortescue Peter | Fuel element |
-
1963
- 1963-02-28 DE DEN22817A patent/DE1245503B/de not_active Withdrawn
- 1963-02-28 FR FR926340A patent/FR1357145A/fr not_active Expired
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE107341C (de) * | ||||
US2864758A (en) * | 1954-03-17 | 1958-12-16 | Milton H Shackelford | Neutronic reactor fuel element |
US3010889A (en) * | 1958-08-08 | 1961-11-28 | Fortescue Peter | Fuel element |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR1357145A (fr) | 1964-04-03 |
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---|---|---|---|
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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