Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffelement
für einen flüssigkeitsgekühlten Kernreaktor, das allein
oder zu mehreren in einem Hüllrohr zu einem Brennstab
anordenbar ist.The present invention relates to a fuel element
for a liquid-cooled nuclear reactor that alone
or several in a cladding tube to form a fuel rod
can be arranged.
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.In risk studies, the main one, though
extremely low of nuclear power plants of this type
outgoing danger seen in the fact that in the nuclear reactor
Disturbance could take place, which will melt the
Reactor core leads; be it through a performance excursion
or by any failure caused
the cooling. The fuel for such reactors is
usually in the form of uranium oxide tablets, which
pressed from appropriate powder and sintered in
larger number arranged within a cladding tube
that mostly consists of zircon and under normal
Operating conditions for a restraint at the
Nuclear reaction formed fission products. At a
Nuclear meltdown in which the melt has temperatures of
The fission products can reach 2500 ° C
released.
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.In contrast, for gas-cooled high-temperature reactors
preferably spherical fuel assemblies have been used,
which contain uranium oxide particles in a graphite matrix
an average size of approx. 500 µ are used.
These fuel particles (under the name "coated
particles "are known) with an envelope
Silicon carbide provided. This layer is very fulfilling
reliable the function of safe retention of the
formed in the fuel by the nuclear reaction
Fission products. It was the experimental proof
are provided that such particles over a long period of time
(e.g. 500 hours) a temperature up to 1600 ° C
can be exposed without their tightness suffering
would. Based on this knowledge, z. B. in the
DE-C-30 16 402 a helium-cooled high-temperature reactor
proposed in its dimensions and
consequently its performance is so limited that
in the accident situations postulated above, in particular
the complete failure of all active cooling measures
Fuel at no time a temperature
reach that above the temperature of a safe
Inclusion of the fission products by coating the
Fuel particle lies.
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.The object of the present invention is an embodiment
of liquid, especially water-cooled kernreak
toren in the way that a release of fission products
from the fuel even in the event of a meltdown
is safely prevented.
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.This problem is solved in that the for
use in a reactor of the type mentioned
certain fuel elements from a variety of
Fuel particles exist, each with a
Envelope are provided for the fission products of
Nuclear reaction is then essentially impenetrable
is when the particles are exposed to a meltdown
become. The term "essentially" is to be understood
hen that the fission product release from such
Fuel elements in the percentage range of the total inventory
remains. Since, as stated above, the one
Meltdown resulting melt a temperature in
of the order of 2500 ° C are the
known, above-mentioned fuel particles with a
Silicon carbide coating unsuitable for this purpose.
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.In a further embodiment of the invention is therefore
suggested that the wrapping of the fuel particles
includes a layer of zirconium carbide. For such
Particles used so far only in rocket technology
resistance in a hydrogen atmosphere up to 3000 ° C
proven.
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.The design parameters of the may be fluid
cooled nuclear reactor in which the the subject of
Invention fuel elements are used
are said to change so that by the properties
the wrapping time and temperature
Limits are not exceeded. This can be done in a known way
Way by reducing the power density of the
Reactor happen. A suitable design of the
Inclusion of the molten reactor core provided
Basin for the purpose of cooling the
Melt (for example, by enlarging the with the
Soil in contact surface) would also
reduce the load on fuel particles, now in
the temporal 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.In contrast to the spherical ones mentioned above
Fuel elements for high-temperature nuclear reactors can
Fuel particles in the present case with a
Graphite binder immediately shaped into tablets
become.