DE2209660C2 - Brennelemente für Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Brennelemente für Kernreaktoren, d>e in metallischen Hüllrohren als Spaltstoff Plutonium oder Uran 233 in Gestalt sphärischer Teilchen enthalten, die von einer oder mehreren Schichten aus Plutonium- bzw. Uran-233-freiem Material umgeben sind.

In Kernreaktoren, die Brennstoff in metallischen Hüllrohren verwenden, wird der Brennstoff meist in Gestalt sogenannter »pellets«, d. h. gesinterter, zylindrischer Formkörper, verwandt. Ihre Herstellung ist dann kompliziert und sehr aufwendig, wenn anstelle des üblichen Spaltstoffes Uran 235 ganz oder teilweise durch Konversion im Reaktor entstandene Spaltstoffe wie Uran 233 oder Plutonium-Isotope verwandt werden. Wegen der starken alpha-Strahlung dieser Spaltstoffe und der im Vergleich zu Uran 235 ungleich höheren Toxizität der Plutonium-Isotope werden extreme Schutzmaßnahmen erforderlich. Besondere Aufwendungen erzwingt die Forderung, den Höchstgehalt an Plutonium im Kubikmeter Atemluft unter jO-iog _zu halten. Es ist daher schon vorgeschlagen worden, aus diesen Gründen anstelle zylindrischer Sinterkörper kleine, kugelförmige Brennstoffteilchen zu verwenden (»Kernels«), deren Herstellungsverfahren hinsichtlich der Schutzmaßnahmen deutlich geringere Aufwendungen verlangen.

Auch wenn dieser Weg beschritten wird, bleibt noch ein sehr wesentliches Schutzproblem beim Transport solcher kugelförmiger Plutonium bzw. Uran 233 enthaltender Brennstoffteilchen sowie bei ihrem Einfüllen in die metallischen Hüllrohre bestehen. Bei beiden Vorgängen ist eine reibende Relativbewegung der Teilchen untereinander nicht vermeidbar, die notwendig zu einem gewissen Abrieb in Gestalt eines feinkörnigen Pulvers führt, das Plutonium bzw. Uran 233 im gleichen Verhältnis enthält wie der massive Brennstoff. Dieser Abrieb bedeutet eine potentielle Kontamination der Atemluft, die ihrerseits aufwendige Schutzmaßnahmen erfordert.

Durch die DE-OS 15 89 994 ist ein Brenn- und Brutelement mit in einer Umhüllung enthaltenen Brenn- und Brutstoffteilchen bekannt geworden. Der Brennstoff und der Brutstoff sind in ein und demselben

Element in getrennten Teilchen untergebracht, die mit eintr Beschichtung versehen sind. Die Kerne der beschichteten Brennstoffteilchen weisen dabei eine andere Größe auf als die Kerne der beschichteten Brutstoffteilchen. Die Beschichtung besteht aus pyrolytischem Kohlenstoff, Karbiden oder Oxiden. Durch die Anordnung von Brenn- und Brutstoff in getrennten Teilchen soll die Möglichkeit einer einfachen mechanischen Trennung von Spaltstoff und Brutstoff zur Erleichterung der Wiederaufarbeitung geschaffen werden. Die Beschichtung dient hier vorwiegend der Rückhaltung von Schwermetall und von Spaltprodukten. Diese Schichten verringern wohl die Csfahr eines Abriebs des Brennstoffkernes infolge der starken mechanischen Beanspruchung beim Transport und beim Umfüllen in die metallischen Hüllrohre der Brennelemente, aber zumindest die Beschichtung aus pyrolytischem Kohlenstoff ist mechanisch nicht ausreichend stabil. Die Verwendung zweier Arten von Teilchen pro Brennelement erfordert einen höheren Aufwand bei der Fertigung, der Beschichtung und bei der Durchmischung zur Erzielung einer möglichst homogenen Verteilung im Brennelement. Ferner ist zu befürchten, daß durch die Verwendung zweier Arten von Teilchen die Effektivität des Brutprozesses verringert wird, zumal eine exakt homogene Verteilung in der Praxis nicht erreichbar ist. Wenn die Homogenität der Verteilung der beiden Arten von Teilchen gestört ist, besteht die Gefahr der Entstehung von heißen Stellen am Brennelement.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die sphärischen Brennstoffteilchen außer mechanisch stabil und abriebfest so auszubilden, daß der Fertigungs- und Beschichtungsaufwand insgesamt verringert und die Effektivität des Brutprozesses erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen geiöst.

Durch die Verwendung von Oxiden, Karbiden oder Nitriden der Brutstoffe Uran 238 und/oder Thorium 232 als Material für die Beschichtung des sphärischen Plutonium- oder Uran-233-Teilchen wird einmal eine von Plutonium und Uran 233 freie Außenhülle gebildet, die eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist und sehr abriebfest ist. Aber auch wenn ein Abrieb auftritt, entsteht kein Plutonium bzw. Uran 233 enthaltendes, die Umgebung kontaminierendes Pulver, so daß ein eventueller Abrieb um Größenordnungen weniger toxisch ist als bei nichtbeschichteten bekannten Brennstoffteilchen. Zum anderen \* ird durch die Verwendung von Verbindungen der Brutstoffe Uran 238 und/oder Thorium 232 ein Beitrag zu den funktionalen Aufgaben der Brennelemente bzw. Brennstäbe geleistet. Durch den Einsatz von Brutstoffverbindungen in der Beschichtung werden beim Spaltprozeß überschüssig entstehende Neutronen dazu genutzt, den Brutstoff in Spaltstoff zu verwandeln.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird die Effektivität des Brutprozesses erhöht, da Inhomogenitäten der Brennstoff/Brutstoffverteilung nicht auftreten können. Hierdurch ist auch die Gefahr vermieden, daß sogenannte heiße Stellen am Brennelement auftreten. Da nur eine Art Teilchen verwendet wird, die sowohl Brennstoff als auch Brutstoff enthält, wird der Aufwand für die Fertigung und Beschichtung der Teilchen verringert.

Wenn man, wie im Anspruch 2 angegeben, um eine erste Schicht aus den Verbindungen der Brutstoffe Uran 238 und/oder Thorium 232 eine weitere Schicht

aus Berylliumoxid anordnet, wird die Wärmeableitung verbessert und ferner die Abriebfestigkeit erhöht.

Außer Berylliumoxid sind u. a. auch Karbide wie z. B. Zirkon- oder Siliziumkarbid für die weitere äußere Schicht geeignet.

Die Herstellung der Brennelemente kann zweckmäßigerweise und vorteilhaft dadurch erfolgen, daß die Schicht durch chemische Fällung oder mechanisch in rotierenden Gefäßen auf die sphärischen Spaltstoffteilchen aufgebracht wird. Die rotierenden Gefäße enthalten das Beschichtungsmaterial in Pulverform.

In beiden Fällen kann das Beschichtungsmaterial durch eine anschließende Wärmebehandlung verdichtet und stabilisiert werden. Das Plutonium- bzw. Uran 233-

haltige Kernmaterial kann in verschiedenartiger Weise hergestellt und entweder gemeinsam mit dem Beschichtungsmaterial bei der beschriebenen Wärmebehandlung verdichtet werden, wobei von verschiedenem Sinterverhalten Gebrauch gemacht werden kann, oder auch vor dem Beschichten mit spaltstoff-freiem Material thermisch mehr oder minder verdichtet werden, um damit die Volumenänderung des Beschichtungs- und Kernmaterials bei der abschließenden Wärmebehandlung aufeinander abzustimmen.

In allen Fällen kann durch Hinzufügung verwandter Materialien eine Angleichung der physikalischen Eigenschaften der Hüllen an angrenzende Schichten erreicht werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Brennelemente für Kernreaktoren, die in metallischen Hüllrohren als Spaltstoff Plutonium oder Uran 233 h Gestalt sphärischer Teilchen enthalten, die von einer oder mehreren Schichten aus Plutonium- bzw. Uran-233-freiem Material umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für wenigstens eine der Schichten aus Oxiden, Karbiden oder Nitriden der Brutstoffe Uran 238 und/oder Thorium 232 besteht.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um eine erste Schicht aus den Verbindungen der Brutstoffe Uran 238 und/oder Thorium 232 eine weitere Schicht aus Berylliumoxid angeordnet ist.

3. Verfahren zur Herstellung der Brennelemente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch chemische Fällung oder mechanisch in rotierenden Gefäßen auf die sphärischen Spaltstoffteilchen aufgebracht werden.