DE4227795A1 - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen flüssigkeitsgekühlten Kernreaktor, das allein oder zu mehreren in einem Hüllrohr zu einem Brennstab anordenbar ist.

In Risikostudien wird die hauptsächliche, wenn auch äußerst geringe von Kernenergieanlagen dieser Art ausgehende Gefahr darin gesehen, daß im Kernreaktor eine Störung stattfinden könnte, die zum Schmelzen des Reaktorkerns führt; sei es durch eine Leistungsexkursion oder durch einen wie auch immer hervorgerufenen Ausfall der Kühlung. Der Brennstoff für derartige Reaktoren liegt üblicherweise in Form von Tabletten aus Uranoxid vor, die aus entsprechendem Pulver gepreßt und gesintert in größerer Zahl innerhalb eines Hüllrohres angeordnet werden, das zumeist aus Zirkon besteht und unter normalen Betriebsbedingungen für eine Rückhaltung der bei der Kernreaktion gebildeten Spaltprodukte sorgt. Bei einem Kernschmelzunfall, bei dem die Schmelze Temperaturen von 2500°C erreichen kann, werden die Spaltprodukte freigesetzt.

Für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren sind demgegenüber vorzugsweise kugelförmige Brennelemente verwendet worden, bei denen in einer Graphitmatrix Uranoxidpartikel mit einer mittleren Größe von ca. 500 µ zum Einsatz kommen. Diese Brennstoffpartikel (unter der Bezeichnung "coated particles" bekannt) sind mit einer Umhüllung aus Siliciumcarbid versehen. Diese Schicht erfüllt sehr zuverlässig die Funktion einer sicheren Rückhaltung der durch die Kernreaktion im Brennstoff gebildeten Spaltprodukte. Es konnte der experimentelle Nachweis erbracht werden, daß solche Partikel über längere Zeit (z. B. 500 Std.) einer Temperatur bis zu 1600°C ausgesetzt werden können, ohne daß ihre Dichtigkeit leiden würde. Ausgehend von dieser Kenntnis ist z. B. in der DE-C-30 16 402 ein heliumgekühlter Hochtemperaturreaktor vorgeschlagen worden, der in seinen Abmessungen und demzufolge auch in seiner Leistung so begrenzt ist, daß bei den oben postulierten Unfallsituationen, insbesondere dem völligen Ausfall aller aktiven Kühlmaßnahmen die Brennelemente zu keinem Zeitpunkt eine Temperatur erreichen, die oberhalb der Temperatur eines sicheren Einschlusses der Spaltprodukte durch die Beschichtung der Brennstoffpartikel liegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Ausgestaltung von flüssigkeits-, insbesondere wassergekühlten Kernreak­ toren in der Art, daß eine Freisetzung von Spaltprodukten aus dem Brennstoff auch im Falle eines Kernschmelzunfalls sicher verhindert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß die für eine Verwendung in einem Reaktor der genannten Art bestimmten Brennstoffelemente aus einer Vielzahl von Brennstoffpartikeln bestehen, die je für sich mit einer Umhüllung versehen sind, die für Spaltprodukte der Kernreaktion auch dann im wesentlichen undurchdringlich ist, wenn die Partikel einem Kernschmelzunfall ausgesetzt werden. Unter dem Begriff "im wesentlichen" ist zu verste­ hen, daß die Spaltprodukt-Freisetzung aus derartigen Brennstoffelementen im Prozentbereich des Gesamtinventars bleibt. Da, wie oben ausgeführt, die bei einem Kernschmelzunfall entstehende Schmelze eine Temperatur in der Größenordnung von 2500°C erreicht, sind die bekannten, oben erwähnten Brennstoffpartikel mit einer Umhüllung aus Siliciumcarbid für diesen Zweck ungeeignet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, daß die Umhüllung der Brennstoffpartikel eine Schicht aus Zirkoncarbid einschließt. Für derartige, bislang nur in der Raketentechnik verwendete Partikel ist eine Beständigkeit in Wasserstoffatmosphäre bis zu 3000°C nachgewiesen.

Unter Umständen sind Konstruktionsparameter des flüssig­ keitsgekühlten Kernreaktors, in den die den Gegenstand der Erfindung bildenden Brennstoffelemente eingesetzt werden sollen so zu verändern, daß die durch die Eigenschaften der Umhüllung zeitlich und temperaturmäßig gesetzten Grenzen nicht überschritten werden. Dies kann in bekannter Weise durch eine Verringerung der Leistungsdichte des Reaktors geschehen. Eine geeignete Ausgestaltung des zur Aufnahme des geschmolzenen Reaktorkerns vorgesehenen Beckens zum Zwecke einer möglichst raschen Abkühlung der Schmelze (beispielsweise durch Vergrößerung der mit dem Erdreich in Kontakt stehenden Oberfläche) würde ebenfalls die Belastung der Brennstoffpartikel verringern, nun in der zeitlichen Dimension.

Im Gegensatz zu den oben erwähnten kugelförmigen Brennelementen für Hochtemperaturkernreaktoren können die Brennstoffpartikel im vorliegenden Falle mit einem Graphitbindemittel unmittelbar zu Tabletten geformt werden.

Claims (2)

1. Brennstoffelement für einen flüssigkeitsgekühlten Kernreaktor, das allein oder zu mehreren in einem Hüllrohr zu einem Brennstab anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Vielzahl von Brennstoffpartikeln besteht, die je für sich mit einer Umhüllung versehen sind, die für Spaltprodukte der Kernreaktion auch dann im wesentlichen undurchdringlich ist, wenn die Partikel einem Kernschmelzunfall ausgesetzt werden.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1 aus Uranoxid und/oder Urancarbid, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung der Partikel eine Schicht aus Zirkoncarbid einschließt.