DE1464568A1 - Brennstoffstab fuer Kernreaktoren mit duenner nachgiebiger Huelle - Google Patents

Description

Brennstoffstab für Kernreaktoren mit dünner nachgiebiger Hülle.

"Die Erfindung betrifft einen Brennstoffstab für Kernreaktoren, insbesondere für Leistungareaktoren, der im wesentlichen eine einen Stab oder aufeinander gestapelte Plättchen aus spaltbarem Material umschliessende äussere zylindrische Hülle, ein r^ut wärme le it fähiges und wenig Neutronen absorbierendes Füllmaterial zwischen der Hülle und dem Brennstoff sowie zwei Verschlußstopfen für die Enden der Hülle enthält.

Bekanntlich erhält man bei Reaktoren, insbesondere bei Leistungsreaktoren, annehmbare Wärmeleistungen, indem man die Ausgangstemperatur des Wärmeträgers erhöht, woraus sich eine Temperaturerhöhung der heissen Stelle der Hülle der Brennstoffelemente oder - stäbe ergibt.

In dieser Hinsicht ist rostfreier Stahl von den verwendbaren Umhüllungsstoffen derjenige, der sowohl gegenüber der verschiedenen mechanischen Beanspruchungen als auch gegenüber der Korrosion in den üblichen Wärmeträgern, wie beispielsweise Kohlengas (Kohlendioxyd), Wasser oder Wasserdampf, organischen Strömungsmedien usw., ein gutes Verhalten zeigt.

Bekanntlich haben diese Stähle jedoch den Nachteil, dass sie einen hohen wirksamen Neutronenabsorptionsquerschnitt aufvoisen, woraus sich ergibt, dass die Verwendung von Stahl-

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hüllen bei Reaktoren mit natürlichem Uran oder mit leicht angereichertem Uran sich aus Gründen der Neutronenausnutzung verbietet.

Zum Erzielen eines hohen Wärmeentzuges werden die Leistungsreaktoren - sei es bei unter Druck arbeitenden Reaktoren mit Druckraum oder Druckrohren - nämlich sehr oft mittels eines unter Druck stehenden Wärmeträgers - gekühlt, wobei in diesem Falle bei Verwendung von rostfreiem Stahl als Umhüllungsmaterial die Dicken einer freien Hülle, die erforderlich sind, um unter Berücksichtigung des Druckes, des Durchmessers des Brennstoffstabes sowie der durch den Brennstoff selbst entstehenden warmemechanischeη Beanspruchungen dem Aussendruck standzuhalten mehrere Zehntelmillimeter (z.B. o,5mm) betragen, was nur dann vertretbar ist, wenn der verwendete Brennstoff angereichertes Uran ist.

Zur Verringerung der Dicke der Hüllen wurde bereits die Verwendung einer Hülle aus rostfreien Stahl vorgeschlagen, die sich durch Aufziehen in warmem Zustand gegen den Brennstoff anlegt, jedoch besteht bei dieser Lösung die Gefahr des Reissens oder Berstens der Hülle, da der Brennstoffstab in diesem Falle für Wärmeschocks, Fliesserscheinungen sowie für die unterschiedlichen Dehnungen von Brennstoff und Hülle sehr empfindlich ist.

Ausserdem erhöht die Verwendung keramischer Brennstoffe, im allgemeinen in Form von in der Hülle aufeinandergestapelten Plättchen, die Gefahr des Zerreissens oder Berstens der Hülle im Falle des Berstens eines der Plättchen.

Ausserdem sind diese keramischen Brennstoffe, -vie beispielsweise Urandioxyd und Urankarbid, gegenüber den Wirkungen der durch das zufällige Herausfallen der Sicherheitsstäbe verursachten Wärmeschocks sehr empfindlieh.

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Andererseits ist bekannt, dass die Brennstoffstäbe mit freier Hülle, bei denen der Brennstoff in Plättchenform in das Innere der HUlIe so eingebracht -vird, dass beim Betrieb des Reaktors die Seitenfläche des keramischen Brennstoffes die Hülle niemals stark auf Zug beanspruchen kann, den Nachteil eines hohen Wärmewiderstandes - in der Grössenordnung von 2 bis 5 C/W/cm und darüber - an der sehr unvollkommenen Berührungsstelle zwischen dem Brennstoff und der Hülle aufweisen. Dieser Widerstand führt zwischen diesen Teilen zu einem TemperatuMbfall, der den Wärmeaustausch beeinträchtigt und erheblich wird, insbesondere .\^renn man starke Wärmeflüsse, beispielsweise in der Grössen-Ordnung von 1CC W/cm abführen will.

Um diese Wirkungen einzuschränken und einen guten Wärmekontakt zviachen Brennstoff und Hülle zu bewirken, wurde vorgeschlagen, zwischen der Hülle und den Keramik-Brennstoffplättchen ein flrssiges Bad, wie Natrium oder das Eutektikum Natrium-Kalium einzusetzen.

Jedoch verhindern diese Lösungen nicht, dass die Hülle dem "Hruck des Wärme trägers standhalten muß, was bei Leistungsre^ktoren mit hoher Leistung die Verwendung von Hüllen aus rostfreiem Stahl von erheblicher Dicke, beispielsweise in der GröasenOrdnung von o,5 mm, bedingt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffstab mit Stahlhülle, dessen bisher ausschliesslich auf Reaktoren mit angereichertem Uran beschränkte Anwendung sich auf Grund seiner Bauweise sogar auf Reaktoren erweitern lässt, deren Brennstoff natürliches Uran sowohl in metallischer als auch in keramischer Form ist, und der ausserdem verbesserte thermische und mechanische Merkmale aufweist.

Das Hauptziel der Erfindung ist die Herstellung eines Brennstoff a tabes der vorstehend erörterten Bauart, dessen Stahlhülle im Hinblick auf die Neutronennusnutzung eine den sonstigen nuklearen Umhüllungestoffen gleichwertige, sehr geringe Dicke hat.

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Ein weitToa Ziel der Erfindung beateht darin, dioa rtsn für einen aolchen Brennstoffe tab eine HUlIo vorsieht, die mit Mitteln versehen int, die seine nachgiebige Verformung zulaaoen, wobei zwiachnn der HUlIe und den Brennstoff ein (bei Betriebstemperatur) viakoner FUll3toff vorgesehen iot, daaa die HlIlIe hohe AussendrUcke aushalten oder erheblich" innere Verformungen erfahren kann, ohne dann aie einem Ubormänai^en Arbeiten auageaetzt wird. "■ fc

Ein weiteroo Ziel der Erfindung liegt darin, dans min für einon aolchen Brennsto£fst7b ein wHrmeleitcndeo Füllmittel vorsieht, daa, indem Θ3 den Wärmekontakt zwischen Hülle und Brennatoff bewirkt, die Wärmeübertragung von dem Brennntoff auf die HUlIo begünstigt.

Ein weiteres Ziel "der Erfindung iat ein Füllmittel für einen aolchen Brennatoffatab, dao eine Einfan^3vorrichtung. für die bei der Kühlung doa Brennstofff3tnboa durch den Brennstoff freigeoetsten Spnltungegaoe bildet.

Der Brennetoffatab nach der Erfindung iat dadurch gekennzeichnet, daaa aeine vorzugaweiae aua roatfreiem Stahl bestehende Hülle τβη sehr geringer Dicke iat und nachgiebige Verformungaelemente aufweist und daaa daa Füllmaterial aus einer zumindest bei Arbeitatemperatur Viskosen Schicht beateht, wobei die Hülle die aua Brennatoff und Füllmaterial· bestehende Einheit in der Weise umschlieaat, daas diese Einheit an allen Stellen durch die Hülle unter hydrostatischen Bedingungen beansprucht wird, und zwar so, daga durch die Verformungen der Verformungselemente die HUlIe verschiedene Geatalten annimmt, indem aie eich der viskosen Verformung der FUllachicht unter thermischen und mechanischen Beanupruchunr/'n anpaae-t.

Zin weiteres Merkmal des Brennstoffatabea nach der Erfindung besteht darin, daaa die Dicke der HUlIe unterhalb von oinem Zehntel-millimeter liegt, d.h. vorzu.jawoise o_fo6 - o,o5 ram beträgt.

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Nnch einon weiteren Morltnal der Erfindung besteht das FUIlmterinl aus einem Metall, vorzugsweise aua Magnesium oder einer Legierung, die bei den Verwendungtemperatüren dee Brennstoffatabes knetbar iat und sich mit dem Brennstoff und dem Metall der Hülle gut verträgt.

"Die Erfindung wird nachstehend nnhind der beigefügten, beispielsweise jedoch nicht beachrlinkend einige AusfUhrungsfornen der Erfindung darstellenden Zeichnung nUher erläutert. Es zeigen»

Fig.1 und 2 eine perspektivische Ansicht bzw', einen Längsschnitt durch »inen erfindungsgemass hergestellten Brenns toffatab,

Fig.3 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig.2,

Pig.A 5 und 6 Ansichten entsprechend Fig.1,2 und 3 "** einer Variante,

Fig.7 einen Verschlußstopfen dea Brennstoffstabes mit axialer Verformung und

Fig.8 eine Variante der Brennstoffstäbe bei traubenförraiger Anordnung.

Bei der AuefUhrungsform des Brennatoffstabee nach Fig.1,2 und 3 ist die zylindrische Stahlhülle, in der die Brennstoffplättchan 2 gestapelt sind,mit 1, der mit einem zentralen Zapfen 4- fUr daa Einsetzen dea Brenns t of fs tabea-in die Halte-3tece oder -gestelle der Traube vorgesehene Stopfen Bit 3 und ein zwischen dem Stopfen und dem Brennstoff zum Isolieren des eine empfindliche Zone bildenden Endea dea Stabes angeordnetes Plättchen aua feuerfestem Material mit 5 bezeichnet.

Erfindungagemuss iat die Dicke der StahlhUlle 1 aehr gering, d.h. aie beträgt weniger als ein Zehntelmillimeter und liegt beispielsweise in dor Qrüssenordnung o,o5 bis 0,06 mm, was vom Stnndpunkt der Neutrononauanutzung mit dem Brennstoff, aua dem die Plättchen 2 bestehen, und der natUrlitAe^r^TBlHLWUdwi vor- -

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zugtvwelne leicht legiertes metallisches oder keramisches Uran, wie Urandioxyd ode¹- Urankarbid ist, vereinbar iat.

"Dnrait die HUlIe die mchgicbinen rndialen und axialen Verformungen ftU9h*tlt, nind in ihr nn den Zwischenabschnitt bzw, den Endabschnitten dna zylindrischen Körpers von ihm aus nnch ausaen vorstehende Palten 6 und 7 ausgebildet.

Die Falten 6, von denon mindestens drei vorhanden sind, dienen zur Schaffung einer gewissen mdinlon Starrheit dea Brennstoffstnbes, während die nn nur einem oder an beiden Enden der HUlIo angebrachten Palten 7 zum Nachgeben gegenüber den e.xialen Verformungen in der Weise dienen, dass die "Enden die Punktion von Balgmembranen haben.

Samit die sehr dUnnc HUlIe den durch den Auaaendrucfc dea Kühlmittels verursachten Krttften standhalten kann und zum Verhindern eines mit seinem einwandfreien Verhalten unvereinbaren Ausmasses des Arbeitens dieser Hülle, ist der gesamte zwischen den Plättchen 2 und der Hülle 1 enthaltene ringförmige Baum einachliesslich der Hohlräume der Falten 6 und 7 von einem; Metall ausgefüllt, das um den Brennstoff 2 herum ein (bei Betriebstemperatur) viskoses Polster 8 bildet und an das die ίίίΐΐ-Ie 1 sich während ihrer Verformungen infolge entweder.des Auasendruckes oder der thermischen Verformungsarbeit dea Brennstoffes anpasst.

Das viskose Polster θ entstehtι indem man den leeren ringförmigen Raum zwischen dem Brennstoff 2 und der betreffenden Hülle 1 bei Ruhestellung ihrer Hachgiebtgfceitaelemente 6 und 7 mit einem Metall ausfüllt, daa bei den Verwendungs- oder Be-. triebatemperatüren voreugsweise knetbar ist. Diesen Zwiachenpolater, deaaen Mindeatdicke einige Zehntelmilliaeter (beiapielaweiae o,5 mm) beträgt, besteht aua einem in geringen Umfang Neutronen abaobieiandtil und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Metall einer legierung'dta»baw. die bei den Arbeitetemperaturen sowohl mit dem Brennstoff als auch nit dem Metall der Hülle keine Reaktion eingeht(Verträglichkeit).

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Th. vr>r-vondet5 Wetall iat vorzugsweide Magnesium, das mit Umnoxyd oder Urnnknrbid oder rait rostfreiem Stahl bei Temperaturen bis zu 55C° C keine Reaktion eingeht.

Tas vorstehend erörterte Ausfüllen der Hülle wird wie folgt durchgeführt!

Kfichdem der Verschlußstopfen an das untere Ende der Hülle· .angäschweiaat worden ist, wird die Hülle in vertikaler Lage in einen Ofen eingebracht, wobei sich die an ihr ausgebildeten Hnchrriebigkeitseletnente 6 und 7 in Gleichtfe^lchtsatellung befinden.

Der Ofen wird rasch auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des gewählten knetbaren Elements, beispielsweise von Mai^nesium, gebracht. Nachdem diese Temperatur erreicht iat, vrird ein Plättchen dieses Element» mit geeignetem Volumen, beispielsweise in einer Argon-Schutzatmc-phttre, in die Hülle eingesetzt.

Sobald das knetbare Element geschmolzen ist, worden jdie Brennstoffplättchen einzeln in die Hülle eingebracht, bis der gewünschte Pegelstand des Bades erreicht ist.

Wenn die gesamte Einheit abgekühlt und gereinigt ist sowie Gratbildunsen entfernt sind, wird der obere Stopfen angebracht, der mit hochgezogenen Bändern normal verschweiaat wird.

Zum Erzielen eines hydrostatischen Gleichgewichtes der Hülle wird darauf der Brennstoffstab in einer Kammer, deren Druck langsam ansteigt, auf 450 bis 550° C gebracht, um das Anpassen der Falten durch sähflüssige Verformung des hydrostatischen Pol3ters zu ermöglichen, so dass sie ihre Aufgabe ale nachverformbares Element erfüllen können.

Hie »eringe Menge freiwerdender Gase kann entweder durch Ver-3Chwei3sen des zweiten Stopfens im Vakuum oder durch ehemische Peaktion und Absorption in dem hydrostatischen Polster θ entfernt .»erden. 909824/040 2

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COPY

Man vorwendet zum Bilden des hydrostatischen Polsters vorzugsweise Magnesium, da es sehr gut die Aufgabe einer Einfangvor-^ richtung oder eines "getter" für die Absoption der freigestzten Gase, beispielsweise der Spaltungsgase bei der Abkühlung des Brennstoffstabes nach einem hohen Verbrennungsgrad · oder "burn up" erfüllen kann.

Da der Brennstoffstab bei seinem Betrieb in dem Reaktor in dem unter Druck stehenden Wärmeträger arbeiten kann, komprimiert der Wärmeträger die Hülle, deren Falten dazu neigen, sich in der Weise abzuflachen, dass durch die Hülle selbst eine dem hydrostatischen Gleichgewicht zwischen dem viskosen Polster und dem äusseren Wärmeträger bei dessen Druck entsprechende Gestalt erreicht wird.

Gegenüber den Dehnungen des Brennstoffes und der freiwerdenden Spaltungsgase verhält sich die Hülle in-gleicher Weise, da selbst in dieser Situation die Falten, indem sie sich öffnen, die Aufgabe oder Rolle einer Elastizitätsreserve haben. . /

"In Fig. 4, 5 und 6 in denen die entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind, ist eine Variante des Brennstoffstabes (nach Fig.Ibis 3) dargestellt.

Nach dieser Ausführungsform ist zur Verbesserung des mechanischen Verhaltens der dünnen Hülle in Höhe der Übergangszone zwischen den Längsfalten 6 und den Querfalten 7, für die die Gefahr einer Schwächung infolge des plötzlichen Übergangs der Falten aus einer Anordnung in die andere besteht, nur ein System von Wellungen vorgesehen.

Wie aus Fig.4 und 5 ersichtlich, verlassen die Falten 9 zu einem oder zu beiden Enden der Hülle hin ihre Längsanordnung und gehen in eine Schraubenlinie mit mehreren Gängen und möglichst engem Gangabstand über.

Zur Vereinfachung der Herstellung der Hülle durch Vermeidung der Bildung von quer-verlaufenden Falten und Schraubenlinien,- ' förmigen Gängen lässt sich, wie aus Fig.7 ersichtlich, eine begrenzte axiale-Nachgiebigkeit erzielen, indem man den Stopfen so herstellt, dass sein den Boden der Hülle bildender

Abschnitt eine geringe Dicke aufweist und mit kreisförmigem Welllungen 10 versehen ist.

Hie Stopfen werden vorzugsweise aus einem Rundstück aus rostfreiem Stahl oder aus mit dem Material der Hülle, sofern diese aus feuerfestem Stahl besteht, übereinstimmendem Material hergestellt und mittels Elektronenbeschuss im Vakuum oder mittels eines Argon-Lichtbogens mit der Hülle mit hochgezogenen Rändern verschweisst.

Der hochgezogene Rand des Stopfen wird vorzugsweise gerändelt auf die Hülle geachweisst, um die Abdicht-Schweissarbeiten der Stopfen einzuschränken.

Wie vorstehend erörtert, dienen die Längsfalten 6 gemäss der in Fig.1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsform sowie der geradlinige Abschnitt der Falten 9 nach der in Fig. 4_t 5 und 6 veranschaulichten Ausführungsform gewissermassen zum Bewirken der axialen Starrheit des Brennstoffstabes, dessen Steifheit auf Grund der Nachgiebigkeit der Hülle sehr begrenzt ist.

Zum Verhindern jeder unzulässigen Verformung der Brennstoffst-Jbe nach der Erfindung ist es bei ihrer traubenförmigen Anordnung notwendig, zwischen ihnen in die Nebenkanäle der Traube Teil- oder vollständige Steifungsteile, wie beispielsweise Graphitbauteile, einzusetzen.

Wie in Fig. 8 gezeigt, bedingen die Versteifungselemente 11 eine bestimmte Form in der Nähe des Brennstoffstabes 12, wobei sie aber begrenzte radiale Veränderungen zulassen.

to Bei tior in Fig. B dargestellten Ausführungform besteht die J₀ Stahlh^: lie praktisch aus einer Balgmembran 13. oo

** Bei dieser Lösung ist sowohl die axiale als auch die radiale ο Nachgiebigkeit offensichtlich durch die extreme Biegsamkeit _o der Hüll*? gegeben,
to

"Xr an nur einem Ende des BrennstοΓfstabes befestigte Draht nu:5 dünnem Stnhl odor -tU3 anodisch oxydiertem Sinteraluminium

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ist auf den Brennstoffstab gewickelt und hat die Aufgabe eines Unterlegkeiles zum Ermöglichen der freien axialen Dehnung der Hülle.Es sei bemerkt, dass die Stahlhülle in Ticken verwendet wird, die vom Standpunkt der Neutronenausnutzung dem Aluminium gleichwertig sind.

Auch sei bemerkt, dass im Betrieb die freiwerdenden Spaltungsgase am Ende einer erheblichen Brennperiode durch den Druck des Kühlmittels ausgeglichen werden, während beim Abkühlen die Einfangwirkung für die Gase in dem wärmeleitenden knetbaren Polster den Innendruck in der Hülle infolge des Vorhandenseins dieser Gase stark verringert.

Schliesslich sei darauf hingewiesen, dass die Temperatur der heissen Stelle der erfindungsgemässen Hülle ausschliesslich durch die Temperaturen begrenzt sind, die die Verwendung von rostfreiem Stahl, beispielsweise in dem betreffenden Kühlmittel unter Berücksichtigung der Verträglichkeit mit diesem Kühlmittel bei der gegebenen Temperatur zulassen.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Man kann daran zahlreiche dem Fachmann entsprechend der beabsichtigten Anwendung naheliegende Abänderungen vornehmen, ohne dass man dadurch den Bereich der Erfindung verlässt. So könnte beispielsweise bei den Ausführungsformen, bei denen die axiale Nachgiebigkeit mit Hilfe des Stopfens erzielt wird, dieser in seiner Form nach innen entsprechend einer Balgmembran gestaltet werden.

Patentansprüche;

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Claims (1)

1. Pat en tans prüche.:

   1.Brennetoffstab für Kernreaktoren, insbesondere für mit Hilfe eines unter Druck stehenden Wärmeträgers gekühlte leistungs-Reaktoren, der im wesentlichen eine einen Stab oder aufeinandergestapelte Plättchen aus spaltbarem Material umschliessende äussere zylindrische Hülle, ein gut wärmeleitfähiges und wenig Neutronen absobierendes Füllmaterial zwischen der Hülle und dem Brennstoff sowie zwei Verschlußstopfen für die Enden der Hülle enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehende Hülle (1) eine sehr geringe Dicke hat und nachgiebige Verformungselemente (6,7,9) aufweist und dass das Füllmaterial (8) aus einer zumindest bei Arbeitstemperatur viskosen Schicht besteht, wobei die Hülle die aus Brennstoff (2) und Füllmaterial bestehende Einheit in der Weise umschliesst, dass diese Einheit an allen Stellen durch die Hülle unter hydrostatischen Bedingungen beansprucht wird, und zwar so, dass durch die Verformungen der Verformungselemente,»die · Hülle verschiedene Gestalten annimmt, indem sie sich der viskosen Verformung der Füllschicht unter thermischen und mechanischen Beanspruchungen anpasst.

   2.Brennstoffstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Hülle unterhalb von einem lehntelmlllimeter liegt, d.h. vorzugsweise 0,06 - 0,05 mm beträgt.

   .Brennstoffstab nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial aus einem Metall, vorzugsweise aus Magnesium oder*einer Legierung besteht, die bei den Verwendun£3temperaturen des Brennstoffstabes knetbar ist und sich mit dem Brennstoff und dem Metall der Hülle gut verträgt.

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   4.Brennstoffstab nach Anspruch 1 , 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente zur nachgiebigen Verformung der Hülle aus auf einem zwischen den Endzonen für die Anbringung der Stopfen liegenden Abschnitt des zylindrischen Körpers der Hülle angebrachten parallelen Längsfalten (6) und aus Umfangsfalten (7) an mindestens einem der Enden des Hüllenkörpers bestehen.

   5.Brennstoffstab nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente zur nachgiebigen Verformung der Hülle aus auf dem zylindrischen Körper der Hülle angebrachten parallelen Falten bestehen, die sich aus einem Längsabschnitt (S) zusammensetzen, der mindestens an einem Ende des Hüllenkörpers in einer Schraubenlinie endet.

   .Brennstoffstab nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle die Form einer Balgmembran hat.

   7.Brennstoffstab nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stopfen (3) eine geringe Dicke haben und konzentrische Wellungen (1C) zur nachgiebigen Verformung aufweiten, wobei die Elemente zur nachgiebigen Verformung der Hülle aus parallelen Längsfalten bestehen, die zwischen den ringförmigen Anbringungsenden für die Stopfen angeordnet sind.

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