DE1464842A1

DE1464842A1 - Brennstoffelement fuer Kernreaktoren und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1464842A1
Application number: DE19641464842
Authority: DE
Inventors: Claude Mercier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1963-02-25
Filing date: 1964-05-27
Publication date: 1969-06-26
Also published as: FR83737E

Description

Brennstoffelement für Kernreaktor(-"n und Verfahren zu

seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement für

Kernreaktoren, insbesondere für durch ein umlaufendes flüssiges

Metall gekärllte Kernreaktoren mit schne-Uen Neutronen, das

einen 1Gnggestreckkten atab .aus einem ,1,Plutoniumhalti.#yen I[ernbrenn-

Stoff enthält, der von einer inneren HülIe umschlossen ist,

@@:jelche aus einem Stoff besteht, der mit dem Plutonium kein

@ute@ti@_LUn bildet, uncl solche Ubmessungen hat, d_;.ß zumindest

zwi-,ehen einem Ende deo Stabes und der hülle ein luftleerer

oder ein inertes Gas enthaltender

verbleibt, und 1-Jas

eine aubere 'Ttilse ouftreist, welche aus einem für gasförmige

Spaltprodukte undurchlässigem Material besteht und die innere

;lulle einschließt, wobei sich in dem Raum zwischen der inneren

TI@a?_@@ und dvsr äußeren ihilse ein wärmeübertragender Stoff be-

f:l_yi;i"t, nach latent ... (Anmeldung C 29 373 VTTIc/21 g vom

13.301 J63) °

Das Brehhatoffelement nach dem Haunt-patent enthält einen

massiven Stab aus Kernbrennstoff und die Volumenzunahme des

Brennstoffmaterials unter der Einwirkung der Neutronenbestrah-

lung muß von der inneren H-_lle des Elements, die meist aus Niob

besteht, aufgefa#i- en und das VIaterial dabei in Richtung auf--

den Hohlraum des Elements veraränät werden, der als "Ausdeh- .

nungskammer'1 wirkt. :Ein Nachteil dieser Elementausfü rirung

besteht darin, dRß die innere Helle in ihren Teilen, die in

größerer Entfernung von der =Lusdehnungskammer liegen, hohen Deh-

nungsbeanspruehun en aus esetzt ist.

Die vorlie;e-_@e ZLls,,.tzerzindung beseitigt diese _iohen

Dehnungsbeans-:iruchun@en der i.@@aeren ti=_tl 1e. des Bren.2stoffele-

ments und gleicht die mechanischen BeanspruchunF";en der inneren

Hülle auf ihrer e sc:m-@en :@ö,ür;e Iadurch aus, ä-n leine Volumen-

zuna,'..me des den Brennstoff st2b bildenden @l1.,@terials ü[email protected].

unterpraktisch -gleichen Bedingunüen verdrängt werden kann.

Das erfindun--@s.=_,emä:;)e Brennstoffelement für Kernreaktoren,

insbesondere für durch ein umlaufendes flüssiges Metallte Kernreaktoren mit schnellen Neutronen, d&s einen lang_,e-

streckten Stab aus einem .@)lutoniumhalti-zen Kernbrennstoff ent- .

hält, der von einer inneren Hülle umschlossen ist, welche aus

einem Stoff besteht, der r:it dem -lutonium kein Lutelcti-'#-um

bildet, und solche -bmessunjen hat, zumindest zwischen

einem Ende des Stabes und der Hille ei.-,. luftleerer oder ein

nertes Gas enthaltender Hohlraum verbleibt, und da3 eine ö,uiil)ere

Hälse aufweist, welche auo einem für tasförmige Spaltprodukte

undurchlässigen Material besteht und die innere Hälle ein-

oohlegt, wobei sich in dem Raum @`zwisehen der inneren Hülle

und der äußeren lidlse ein wärmeübertragender Stoff befindet,

nach Patent ... (Anmeldung C 29 373 VIIIc,'21g vom 13.3.1963),

ist im wesentlichen geke:ulzeiehnet durch einen längs der Achse

des Stabes vorgesehenen Kanal, der sich in deal Hohlraum öffnet.

Die Erfindung bezieht sich weiteriain auf ein Verfahren zitr

Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffelements, das rela-

tiv einfach ist und sich iuit stets gleichbleibenden Ergebnissen

sicher durchführen läßt.

Dieses Herstellungsverfahren, bei dem in an sich bereits

aus dem Hauptpatent belcantiter Weise dar Brennstoffmaterial

in einem Rohr gegossen wird, dessen Mc.terial kein Nutektikum

mit dem Brennstoff bildet, dann die Enden des Rohres verschlos-

sen werden, um die Linzre 1i,.ll e zu bilden, anschließend die

innere Hülle in eine äußere aJlse einbesetzt wird, zwischen.

die 1iJ11.e und die .lse das Wärmeiüertragende a@iaterial eirege-

bracht und sch-ießlich die äu3erei-'.lse dicht verschlossen

wirdi ist ira vasentlichen dadurch gel:e_ulzeich::ct, daß man vor

dem Gießen des Brennstoffmaterials in der inneren Hille in

das diese i :11e bil den,ie _iohr eitlen Kern i n ziichtung der Achse

dieses RohreB eingesetzt, der n: ch Verfeäti,Ten das Gusses ent-

fernt wird.

Zur ii;i.rieren 2#rliuterLUlg der .@@'r-._'inü@u@g vrird nui=ehr das Ver-

,.fahren fair die Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoff-.

elements unter Hinweis auf die Zeichnung ausführlicher beschrieben. In der Zeichnung zeigent -. Fig. 1,20 und 4 in schematischer Darstellung und in einander entsprechenden axialen Längsschnitten " verschiedene stufen der Herstellung des Brenn-- stoffelements; Fig. 5 einen Querschnitt längs der Egchnittiinie Y-V der Fig. 2; .
Fig. 6 eine schematische Teildarstellung der Vorrichtung,. die zum Ausbohren des-Kernes aus dem Brerulstoffstab dient, damit dieser die in Ilig. 4 dargestellte Form erhält, Das erfindungsgemäße Brennstoffelement entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau dem @n Pig. 1 des Hauptpatents dargestellten Brennstoffelement. Dieses Brennstoffelement, das auch '$Nadel" genannt wird, enthält. einen Brennstoffstab 6 aus einer Kernbrennstoff-Zegierung, die in eine aus mehreren miteinander . verschweißten Teilen bestehende innere Hülle eingeschlossen isti_die zwieohen dem Stab und einem der Endabschlüsse der Hülle einen Ausdehnungsraum frei läßt. Die innere Hille 8 besteht aus einem Metall oder einer Legierung eines das mit dem Plutonium kein Butektikum bildet, im allgemeinen aus Niob.
Die Fig. 1 bis 5 der Zeichnung zeigen die aufeinander folgenden Stufen der Herstellung des inneren Teiles des Brenn-' }stoffelemente, das den Stab 6 aus Kernbrennstoffmaterial und seine innere Hülle 8 umfaßt, Das Rohr 36,l das in Fig. 1 dargestellt ist und als b)Gießform't für das Brennstoffmaterial dient, wird aus einem Niob-Rohr mit einer Länge hergestellt, die größbr ist als die Länge des Brennstoffstabes Ges wird entsprechend .der Fig. 't geformt und an einem Abschlußkörper 38 befestigt, wie bei der Herstellung des Brennstoffelements nach dem Hauptpatent.
Vor dem Gießen der flüssigen Brennstofflegierung in dem Form-Rohr 36 wird in dieses Rohr ein langgestreekter Kern singesetzt, der den Baum für den zentralen Kanal des Brennstoffkörpers einnimmt; dieser Kern, der beispielsvreise aus einem Graphitstab 46 von geeigneter Länge besteht, ist in der Achse des Rohres 36 angeordnet. Seine Zentrierung ist an dem unteren Ende durch Einschieben in eine axiale Bohrung ¢8 gesichert, die zu diesem Zweck in dem rohrseitigen Ende des Abschlußkörpers 38 vorgesehen ist; am anderen Ende wird der Kernstab mit Hilfe von biegsamen und hochtemperaturbeständgen Hetal3.drähten 50 festgelegt. Man kann beispielsweise zwei überkreuz angeordnete Drähte verwenden, die durch die Wand des Rohrns 36 in einen Abschnitt dieses Rohres hindurchgeführt sind, der später abgeschnitten wird (Fig. 2 und 5). Man kann hierzu Drähte aus Tantal, Nolybdän, Niob usw. verwenden.
hach Beendigung dieser Vorbereitungsarbeiten erfolgt das Gießen des Brennstoffkörpers nach der in dem Hauptpatent be_ schriebenen Arbeitsweise; das Rohr wird anschließend auf dasjenige Längenmaß abgeschnitten, das mit der Brennstofflegierung gefüllt ist, und auch der äußere Ansatz dea Abschlußkörpers 38 wird entfernt, so däß nur der unterseitige Abdichtungszapfen mit dem Rohr verbunden bleibt. Die zu entfernenden Teile sind in der Fig. 3 mit strichpunktierten- Linien dargestellt.
Unter inerter Atmosphäre wird der in seine innere Hülle 8 eingeschlossene Brennstoffstab 6 auf eine Drehbank 52 (Fis. 6) gebracht, die zum Ausbohren des Kernes bestii.:mt ist. Der mit seiner Hülle versehene Brennstoffst#ib wird zwischen den Klemmbacken des festen Sxoindelstockes 54 festgelegt; der Reitstock 56 wird mit einem Bohrwerkzeug 58 bestückt, das vorzugsweise ein Drehbohrwerkzeug in Rohrform ist' dessen End-Stirnfläche nach Art eines uteinbohrers ausgeführt ist, und. es wird ein Argon-Umlauf geschaffen, um den beim =yusbohren des Kernes (insbesondere aus Graphit) entstehenden Bohrabfall durch das Bohrerrohr während des Bohrvorganges abzusaugen. Diese Arbeitsueise ist jedoch nicht unbedingt erforderlich:; mit einem vollen Bohrer durchgefürrte Versuche haben ebenfalls befriedigende Ergebnisse gezeigt. Für die Serienherstellung erscheint jedoch die Verwendung eines hohlen Bohrwerkzeuges mit einer Bohrabfallabsaugung durch Argon. weg-:n der damit verbundenen Vorteile zweckmäßig.
Nachdem der stabförmige Kern 56 entfernt und der a Iiale Kanal 60 frei gemacht ist, hit der Brennstoffstab 6 die ass Pig. 4 ersichtliche Gestalt. Die weitere Folge von Arbeitsvorgängen für die endgültige Fertigstellung des Brennstoffelemente entspricht derjenigen, die in dem iiaupthatent beschrieben iet# auf das zurtiokgegriffen werden kann. Man kann jedoch das Volumen der am Stabende vorgesehenen Ausdehnungskammer gegebenenfalls verkleinern, weil auch noch der zentrale Kanal 60 als Ausdehnungsraum ausgenutzt wird. ' Der zentrale Kanal 60 kann beispielsweise einen Durchmosser von 1'8 mm haben, wenn der Brennstoffstab 6 eine hänge von 400 mm und einen größten äußeren Durchmesser von 5,3 mm aufweist. .
Die Erfindung ist natürlich nicht auf das einzige Iierstellungsverfahren das oben beschrieben wurde es dürfte klar sein, daß der Umfang der vorliegenden Erfindung Äuoh Abweichungen in der Ausbildung des Elements oder des Herstellungsverfahrens umfaßt, die innerhalb des Rahmens von Äquivalenten bleiben, und auch die Verwendung jeder Vorrichtung die zur Durchführung des Herstellungsverfahrene dient.

Claims

Patentansprüche

1. reniistoffelement für ILernreaktoren, insbesondere für durch. ein umlaufendes flüssiges Metall r;eiiühlte Kernreaktoren mit schnellen Neutronen, das einen langgestreckten Stab aus einem plutoniumhaltigen der von einer inneren H: _11e umschlossen ist, ` welche aus einem Stoff besteht, der mit dem Plutonium kein Eutektikum bildet, und solche .Ab- messun,#;en hat, daß zumindest zwiochen einem Ende des Stabes und der Hü'L --IL_e ein luftleerer oder ein inertes Gas enthaltender ilohlraum verbleibt, und das eine äußere Hiilse aufweist, welche _ aus einem fair gasförmige Spaltprodukte undurchlässigen IjIaterial besteht und die innere Hülle einschließt, wobei sich in dem Raum zwischen der inneren 11ii__le und der @,ul@eren lse ein w@x-rieübertragender Stoff befindet, nach Patent.... (Änmeldung C 219 373 VIIIc/21 g vom 13.3.1963), g e -i e n n z e i -c 11 n e t , durch einen längs der Ach--e des Stabes (6) vorgesehenen j@anal (60)9 der sich in den Hohlraum öffnet.

Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffelements i1L7.ch Anspruch 1, bei dem dws Brennstoffmateriz:#l in einem Rohr Are- gossen wird,- desse'2 Material !-.einuteti_=;;m z:it :_em 31-rnstoff bildet, dann die Lnien des Rohres verschlossen werden,.- um c#i(2 i--nere fälle zu bi:=_:Len, anschließend die i=ines.-e ,zu,-.ere Hülse eingesetzt 7ri:d, zwischen die und Dino, _-__--,e

das wärmeübertragende Material eingebracrit und schließlich die* äu13ere Hülse dicht ver,-:clzlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Gießen des Breni:.stoffma terials in der inneren Hü_Lle in das diese helle bildende Rohr einen Kern in Richtung der Achse dieses Rohres einsetzt, der nach Verfestigen des Gu:- }us entfernt wird, 30 'Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekeil_nzeichnet, daß der Kern in dem Rohr durch -vrällte aus einem liochhitzebest@in- digen tietal1, wie fantal, llol,TbdL"Ln und Iiob zentriert und an : eri Rohr fest";el egt wiv--do ^-o Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gelzennzeichnet, dp.ß der l.,ern durch Ausbohren entfernt wirdo Lir en nach @^nspruch 4, dadurch r;e'iennzeiciiiiet, da.ß das [email protected]:@bc_'>iren mit Zille eines [email protected]@;es erfolgt, bei dem die Bohrspäne oder -abfülle des Kernes durch das Bohle T,2rlzzeug hindurch abgesaugt werden.