DE2319025C2 - Kernbrennstoffelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement mit einem langgestreckten Umhüllungsbehälter, einem Körper aus Kernbrennstoffmaterial in dem Behälter, der diesen teilweise füllt und einen inneren Hohlraum freiläßt, Endverschlüssen, die mit jedem Endstück des Behälters verbunden und abgedichtet sind, einem spiralförmigen Teil in dem Hohlraum und einem hohlen gasdurchlässigen Behälter in einem Teil des hohlen Behälters, wobei dieser hohle Behälter in dem Hohlraum gehalten ist und eine Vielzahl von Teilchen einer ternären Legierung aus den wesentlichen Bestandteilen Zirkon, Nickel und Titan in dem hohlen Behälter enthalten ist, nach Patent 22 59 569.

In dem älteren Patent 22 59 569 der Anmelderin ist das eingangs genannte Kernbrennstoffelement beschrieben. Der hohle gasdurchlässige Behälter nach diesem älteren Patent besteht vorzugsweise aus einem siebartigen Wandmaterial mit einer Vielzahl von öffnungen, wobei die Größe der öffnungen geringer ist als die Größe der Teilchen. Diese öffnungen gestatten es Gasen und Flüssigkeiten, in den Hohlraum einzudringen und mit den Legierungsteilchen in Kontakt zu kommen.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde das Kernbrennstoffelement nach dem älteren Patent 22 59 569 dahingehend zu verbessern, daß der hohle gasdurchlässige Behälter beständiger gegen Deformation ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gasdurchlässigkeit durch nur eine oder mehrere Öffnungen in dem Behälter gegeben isi.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der hohle Behälter mehrere gasdurchlässige öffnungen in der einen Endkappe auf.

Weiter ist es zweckmäßig, wenn sich der Teil des Behälters der mehrere gasdurchlässige Öffnungen aufweist, an dom dem Kernbrennstoff material abgelegenen Endstück befindet

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt F; g. 1 einen Teilquerschnitt einer Kernbrcnnsloffcinhcit, welche Kernbrennstoffelemente enthält, die erfifidungsgemäß aufgebaut sind, wobei ein Element teilweise geschnitten dargestellt ist,

F i g. 2 einen Schnitt des Hohlraum-Teiles des Kernbrennstoffelementes, in dem die Anordnung des Getters in einer Ausführungsform eines gasdurchlässigen Behälters gezeigt ist, der innerhalb eines spiralförmigen Teiles im Hohlraum angeordnet ist

F i g. 3 den gasdurchlässigen Behälter der F i g. 2 im Schnitt der den Getter aus einer ternären Legierung in Teilchenform enthält und

F i g. 4 eine andere Ausführungsform eines gasdurchlässigen Behälters.

In F i g. 1 ist teilweise im Schnitt eine Kernbrennstoffeinheit 10 gezeigt. Diese Kernbrennstoffeinheit besteht aus einem rohrförmigen Strömungskanal 11 mit quadratischem Querschnitt der an seinem oberen Ende mit einem Hebelbügel 12 versehen ist Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen und sein unteres Ende mit öffnungen für das Kühlmittel versehen. In dem Kanal 11 befinden sich Brennstoffelemente 14, die durch eine obere Endplatte 15 und eine nicht dargestellte untere Endplatte gehalten sind. Das flüssige Kühlmittel tritt üblicherweise durch die öffnungen im unteren Ende des Kanals ein, strömt um die Brennstoffelemente 14 herum nach oben, und verläßt den Kanal am oberen Auslaß 13 bei Siedereaktoren in teilweise verdampfter Form und bei Druckreaktoren in unverdampftem Zustand bei erhöhter Temperatur.

In der F i g. 2 ist ein Kernbrennstoffelement 14' aus F i g. 1 teilweise geschnitten dargestellt. Das Brennstoffelement enthält Kernbrennstoffmaterial 16, das als eine Vielzahl von Brennstoffpellets aus spaltbarem und/oder brütbarem Material gezeigt ist, wobei die Pellets innerhalb eines Umhüllungsbehälters 17 angeordnet sind.

Es können verschiedene Materialien als Kernbrennstoff verwendet werden, einschließlich Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und deren Mischungen. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxid oder eine Mischung, die Urandioxid und Plutoniumdioxid umfaßt.

Der Behälter 17 wird an seinen Endstücken mit Endverschlüssen oder Stopfen 18 abgedichtet, die Zapfen 19 aufweisen können, um das Montieren des Kernbrenn-Stoffelementes in der Einheit zu erleichtern. Ein Hohlraum 20 ist an dem einen Endstück des Kernbrennstoffelementes vorgesehen, um eine Längsausdehnung des Brennstoffmaterials und eine Ansammlung der vom Brennstoffmaterial abgegebenen Gase zu gestatten. Ein spiralförmiges Teil 21 ist innerhalb des Hohlraumes angeordnet und kann so ausgebildet werden, daß es eine innere Stütze für den Teil des Umhüllungsbehälters bildet, der den Hohlraum 20 umgibt, wenn dies gewünscht ist, z. B. bei einem Druckreaktor. Das spiralförmige Teil 21 dient dazu, den Brennstoff während der Handhabung und des Transportes der Brennstoffelemente in der vorgesehenen Position zu halten. Der Umhüllungsbehälter 17 ist an den Stopfen 18 durch ringförmige Schweißstellen 22 befestigt.

M Das Brennstoffelement ist derart gestaltet, daß ein ausgezeichneter thermischer Kontakt zwischen dem Umhüllungsbehälter und dem Brennstoffmaterial besieht, nur ein Minimum parasitärer Neutronenabsorp-

tion stattfindet, und daß das Element gegen Biegen und Vibrieren beständig ist, was gelegentlich durch einen Kühlmittelstrom hoher Geschwindigkeit verursacht wird.

Wie der F i g. 2 zu entnehmen, ist innerhalb des spiralförmigen Teiles 21 in dem Raum 20 ein hohler gasdurchlässiger Behälter 23 angeordnet, der vorzugsweise ein metallischer Behälter, wie aus rostfreiem Stahl, ist, der mehrere gasdurchlässige öffnungen in einem Teil aufweist, vorzugsweise in einem Endstück oder der Endkappe 25, durcn die Gase und Flüssigkeiten, die in den Raum 20 eintreten, in den Behälter 23 gelangen, in dem Behälter 23 ist ein Getter 24 aus einer ternären Legierung angeordnet, vorzugsweise in Festkörperteilchenform, um eine möglichst große Oberfläche pro Gewichtseinheit des Getters zu haben, die mit den in den Behälter 23 eintretenden Gasen und Flüssigkeiten reagieren kann. Eine bevorzugte Teilchengröße für den Getter ist ausgewählt aus dem Teilchengrößenbereich, der durch lichte Maschenweiten von etwa 1,65 bis 0,25 mm hindurchgeht

Der Behälter 23 hat vorzugsweise die Form eines rechtwinkligen Rundzylinders. Ein Endstück oder die Endkappe 26 und der zylindrische Wandteil 28 bestehen aus festem Metall, vorzugsweise einem rostfreien Stahl, und das andere Endstück oder die Endkappe 25 ist vorzugsweise ein Netzmaterial und vorzugsweise ein Netzmaterial aus rostfreiem Stahl mit 400 bis 32 Maschen/ cm². Durch Schweißen, Quetschen oder Löten werden das feste Endstück 26 und das Netzendstück 25 mit der hohlen zylindrischen Wand 28 verbunden. Der Behält es kann auch von vornherein so gestaltet sein, daß er bereits ein abgeschlossenes Endstück oder eine Endkappe 26 aufweist und lediglich eine öffnung hat

Die Endstücke oder Endkappen 26 sind vorzugsweise konkav gestaltet oder in den Zylinder hinein versenkt, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist, um das Schweißen zu erleichtern. Eine wirksame Menge des Getters wird durch das eine offene Endstück in den Behälter eingefüllt und dann der Verschluß dieses Endstückes vorgenommen. Es werden vorzugsweise etwa 4 ± 1 g Getter in einem Kernbrennstoffelement verwendet, der etwa 5 g gesintertes Kernbrennstoffmaterial enthält Größere Mengen Getter werden in Kernbrennstoffelementen mit pulverförmigem Kernbrennstoffmaterial und in solchen Brennstoffelementen benötigt, in denen man größere Mengen schädlicher Gase erwartet.

F i g. 4 zeigt eine isometrische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Behälters 23, der mehrere Öffnungen 30 in einem Teil der hohlen zylindrischen Wand 28 des Behälters 23 aufweist Dieser Behälter hat ein festes Endstück oder eine Endkappe 26, während das andere Endstück benachbart den öffnungen 30 dicht sein oder ein oder mehrere öffnungen aufweisen oder aus einem netzartigen Material bestehen kann. Die Konstruktion und das Füllen des Behälters 23 geschieht ähnlich wie bei F i g. 3.

Die Verwendung von Getterbchältern stellt sicher, daß der aus Festkörperteilchen bestehende Getter und alle Reaktionsprodukte, die aus der Reaktion des Getters mit reaktiven Gasen in dem Brennstoffelement herrühren, in dem Behälter gehalten werden. Auf diese Weise kann das Festkörperteilchenmaterial aus dem Hohlraum nicht in den Teil des Brennstoffelementes eindringen, der mit dem Kernbrennstoff gefüllt ist und die Produkte der Getterreaktion werden in dem Hohlraum gehalten, der der Teil mit der geringeren Temperatur des Brennstoffelementes ist und es wird damit die Möglichkeit auf einem Minimum gehalten, daß diese Reaktionsprodukte erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, welche dazu führen könnten, daß die reaktiven Gase aus dem Reaktionsprodukt freigegeben werden.

Der Behälter 23 ist leicht zu füllen, da das Metall des zylindrischen Wandteiles keine oder nur wenige öffnungen aufweist, in denen Getterteilchen verklemmt werden können. Der Behälter 23 kann mit sehr engen Dimensionstoleranzen gefertigt werden, und er hat eine

ίο ausgezeichnete Stabilität bezüglich der Dimensionen aufgrund der Festigkeit des Metalles, welches die Zylinderwand bildet Darüber hinaus macht die Festigkeit des die Zylinderwand bildenden Metalles Deformationen des Behälters während der Handhabung und des Zu sammenbaus des Brennstoffelementes weitgehend un möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelemente mit

einem langgestreckten Umhüllungsbehälter, einem Körper aus Kernbrennstoffmaterial in dem Behälter, der diesen teilweise füllt und einen inneren Hohlraum freiläßt,

Endverschlüssen, die mit jedem Endstück des Behälters verbunden und abgedichtet sind, einem spiralförmigen Teil in dem Hohlraum und einem hohlen gasdurchlässigen Behälter in einem Teil des hohlen Behälters, wobei dieser hohle Behälter in dem Hohlraum gehalten ist und eine Vielzahl von Teilchen einer ternären Legierung aus den wesentlichen Bestandteilen Zirkon, Nickel und Titan in dem hohien Behälter enthalten ist, nach Patent 2259569, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdurchlässigkeit durch nur eine oder mehrere öffnungen (30) in dem Behälter (23) gegeben ist.

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Behälter (23) mehrere gasdurchlässige öffnungen in der einen Endkappe (25) aufweist.

3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Behälters (23) der mehrere gasdurchlässige öffnungen (30) aufweist, sich an dem dem Kernbrennstoffmaterial (16) abgelegenen Endstück befindet.