DE1032438B

DE1032438B - Brennstoff-Elemente zur Verwendung in einem Kernreaktor

Info

Publication number: DE1032438B
Application number: DEU4225A
Authority: DE
Inventors: Ian Hugh Morrison
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1955-10-14
Filing date: 1956-11-24
Publication date: 1958-06-19
Also published as: FR1165569A; BE553970A; GB790389A; US3131129A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoff-Elemente, die in Kernreaktoren zur Verwendung kommen.

Die übliche Form der bislang in Kernreaktoren zur Verwendung kommenden Brennstoff-Elemente weist meistens einen kurzen, aus einem spaltbaren Material bestehenden oder ein solches Material enthaltenden Brennkörper auf, wie beispielsweise einen Uranstab von etwa 304,8 mm Länge, der völlig mit einer Schutzhülle aus Aluminium umgeben ist, die sich in enger Berührung mit dem Brennstoffkörper, um dadurch eine gute Wärmeübertragung an die Schutzhülle zu erreichen, befindet. Es besteht nunmehr ein Interesse daran, Magnesium und Magnesiumlegierungen als Schutzhüllenmaterial zu verwenden, welches hohen Drücken ausgesetzt werden soll, z. B. 7,0 kg/cm². Dabei hat sich herausgestellt, daß der große Wärmeausdehnungskoeffizient des Magnesiums im Verhältnis zu Uran, verbunden mit einem Weichwerden und Verformen beim Auftreten von Druck, eine Längsdehnung der Schutzhülle mit sich bringt, die sich zu einem Teil bei jedem Wärmezyklus, der von dem Kernbrennstoff-Element übertragen wird, steigert. Diese Dehnung findet deswegen statt, weil sich die Schutzhülle beim Erhitzen stärker in Längsrichtung ausdehnt als der Brennstoffkörper; beim Abkühlen verhindern jedoch Reibungskräfte zwischen Schutzhülle und Brennstoffkörper, die im wesentlichen durch äußeren Druck und insbesondere durch das Zusammenpressen der ausgedehnten oder gestreckten Schutzhüllen enden hervorgerufen werden, das freie bzw. ungehinderte Zusammenziehen der Schutzhülle, so daß eine Restdehnung der Schutzhülle zurückbleibt, die auch beim nächsten Wärmezyklus nicht völlig ausgeglichen bzw. aufgehoben wird. Wiederholte Wärmezyklen lassen diese Restdehnung in steigerndem Ausmaß anwachsen, bis es zum Bruch der Schutzhülle kommt.

Die Erfindung betrifft ein Brennstoff-Element, bei welchem die unerwünschte Eigenschaft der sich steigernden Längsdehnung der Hülle dem Ausmaß nach vermindert wird.

Im einzelnen weist das Brennstoff-Element einen Brennstoffkörper auf, welcher in einer dicht anliegenden Schutzhülle eingeschlossen ist, wobei der besagte Brennstoffkörper erfindu-ngsgemäß mit einer Reihe von mit Abstand voneinander angeordneten Aushöhlungen, Aussparungen oder Vertiefungen auf seiner Oberfläche versehen ist, während die Hülle zähnartig in diese mit Abstand voneinander angeordneten Vertiefungen eingreift.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch das Brennstoff-Element, während Fig. 2 eine ver-

Brennstoff-Elemente zur Verwendung
in einem Kernreaktor

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy-Authority, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen (Westf.), Oranienstr. 14

Ian Hugh Morrison, London,
ist als Erfinder genannt worden

größerte Ansicht des in Fig. 1 im Kreis II enthaltenen Teilstückes wiedergibt.

In Fig. 1 ist ein Stab 100 aus natürlichem Uran mit kreisförmigem Querschnitt, welcher einen Durchmesser von etwa 29,37 mm hat und etwa 101,60 cm lang sowie mit einem Magnesiummantel bzw. einer Magnesiumhülle 101 umgeben ist, dargestellt. Der Mantel oder die Hülle 101 hat eine Länge von etwa 1047,7 mm, wobei jeweils die Überlänge gegenüber dem Stab 100 aus rippenförmigen Teilen 102 und 103 Dichtungsflanschen 104 und 105 gebildet ist. Am oberen Ende des Brennstoff-Elementes sitzt eine Ver-

- schlußhaube 106 mit einem ein Gewinde aufweisenden Bolzen 107 und einer Scheibe 108 aus einer Magnesiumlegierung (0,65% Mangan), welche etwa 6,35 mm stark ist. Durch das Legieren wird eine bessere Kriechfestigkeit in bezug auf die Hülle erzielt. Am unteren Ende des Brennstoff-Elementes befindet sich eine Verschlußhaube 109 mit einem Bolzen 110 und einer Scheibe 111 aus einer Magnesiumlegierung (0,65 °/o Mangan), die ebenfalls etwa 6,35 mm stark ist. Die Scheibe 108 ist flach und eben, während die Scheibe 111 einen soharfkantigen Flansch 112, ein Gewinde 113 und eine Schraubenschlüsselfassung 114 aufweist. Der Durchmesser der Scheiben 108 und 111 ist geringfügig größer als derjenige des Stabes 100, um der Möglichkeit eines »Überwachsens« der Hülle bzw. des Mantels 101 über die Endflächen des Stabes 100 entgegenzuwirken. Argonlichtbogengeschweißte Nähte sind bei 115 und 116 ausgeführt. Die Hauben 109 und 106 sind aus dem gleichen Werkstoff wie der Mantel 101 hergestellt. Der Mantel bzw. die Hülle 101 ist aus dem Vollen heraus-

809 557/362

gearbeitet, derart, daß schraubenförmige Rippen 117 entstehen, die einen Durchmesser von etwa 53,97 nun, eine Steigung von etwa 3,17 mm und eine Stärke von etwa 0,794 mm haben.

Der Stab 100 ist mit einer Reihe von mit Abstand S voneinander angeordneten Aushöhlungen bzw. Vertiefungen versehen, und zwar in Form von Umfangsnuten 118. Es sind elf Nuten 118 vorgesehen, von denen jede einen Abstand von etwa 84,6 mm zur nächsten aufweist; hinzu kommen an jedem Stab die beiden Endnuten 118 (so daß sich also insgesamt dreizehn Nuten ergeben), die einen Abstand vom Stabende von etwa 25,4 mm und somit zur nächstbenachbarten Nute einen Abstand von etwa 59,27 mm haben. Die Nutenbreite beträgt etwa 2,54 mm, während die Tiefe etwa 0,504 mm ist. Die Hülle 101 ist gegen den Stab 100 gepreßt, damit sie, wie bei 119 in Fig. 2 dargestellt, in die Nut eingreift.

Der Stab 100, der durch Gießen geformt worden ist, wird maschinell auf die vorgeschriebene Größe oder Abmessung gebracht; dann werden die Nuten 118 maschinell eingefräst, und nach Prüfung auf seine Brauchbarkeit wird der Stab gewaschen und getrocknet. Die Hülle 101 wird auf ähnliche Weise gewaschen, getrocknet und geprüft.

Der Flansch 105 und die Haube 109 werden zur Verschweißung der Flächen vorbereitet; die Scheibe 111 wird in ihre richtige Stellung geschraubt; die Haube 109 wird eingesetzt und in der richtigen Stellung entlang der Naht 116 eingeschweißt.

Der Stab 100 wird, während die Mantelhülle mit leichtem Druck über den Stab geschoben wird, lotrecht gehalten, und der Hüllenflansch 104 wird maschinell nachgearbeitet, bis er die der Länge des Stabes 100 entsprechenden Abmessungen hat. Die Scheibe 108 wird eingesetzt, darauf folgt Haube 106, die entlang der Naht 115 verschweißt wird.

Für den Preßvorgang, durch welchen die Mantelhülle in die Nuten 118 getrieben oder eingedrückt werden soll, wird das verschlossene Element in ein Druckgefäß gebracht, woraufhin das Gefäß evakuiert wird. Der Druck innerhalb dieses Gefäßes wird dann vermittels Kohlendioxydgas auf etwa 7,0 kg/cm² gebracht, dem ein gleichmäßiges Erhitzen auf 500° C über eine Zeitdauer von 3 Stunden folgt. Das Erhitzen bewirkt einen Druckanstieg auf etwa 24,5 kg/cm², und dieser Druck wird über 4 Stunden lang beibehalten. Die Abkühlung wird so vorgenommen, daß die Temperatur gleichmäßig nach 3 Stunden auf 100° C abgesunken ist; dann wird der Druck heruntergesetzt, und das zusammengebaute Element wird entnommen.

Durch eine Röntgenuntersuchung kann festgestellt werden, ob und daß die Hülle 101 bei 119 vollends in die Nuten 118 eingepreßt worden ist.

Wenn auch die Erfindung an Hand von Umfangsnuten beschrieben worden ist, so können andere Verfahren oder Fertigungsweisen für die Herstellung von Vertiefungen geeignet sein, z. B* eine Verzahnung mittels einer Reihe von Bohrungen oder Eindrückungen mit geringer Tiefe oder mittels Teilnuten. Die Tiefe der Nut in bezug auf ihre Breite und in bezug auf die Wandstärke der Hülle 101 hat eine kritische Grenze, da im allgemeinen eine Verminderung der Hüllenwandstärke nicht erwünscht ist. Fig. 2 zeigt z. B. eine radiale Abnahme der Wandstärke am Punkt 120; dies ist jedoch nicht von Bedeutung (die Hüllenwandstärke beträgt etwa 2,032 mm, verglichen mit der Nutentiefe von etwa 0,508 mm und der Breite von etwa 2,54 mm). Die Verringerung der Wandstärke kann dadurch hintangehalten werden, daß die Nuten 118 ausgekehlt werden; das gute Haften der Hülle infolge einer geradwandigen Nut wird jedoch im allgemeinen als vorteilhaft angesehen. Bei geradwandigen bzw. im Querschnitt rechteckigen Nuten liegt deren Tiefe vorzugsweise innerhalb des Bereiches von einem Fünftel bis ein Drittel der Wandstärke der Hülle in der nächsten Umgebung der Nut; vor-^: zugsweise beträgt sie jedoch ein Viertel der Hüllenwandstärke, um ein ausreichendes gegenseitiges Festhalten einerseits und eine noch zumutbare Wandstärkenabnahme der Hülle andererseits sicherzustellen. Die Verhältnisse beim Aufpressen der Hülle können von den oben angegebenen abweichen, und zwar auf Grund des Erfordernisses, die metallurgische Stabilität des Stabes 100 nicht zu beeinträchtigen und zwischen Hülle 101 und Stab 100 eine möglichst gleichmäßige Wärmeübertragung zu sichern. Ein Spalt zwischen eingepreßter Hülle 119 und Nut 118 kann z. B. Anlaß zu Bildung eines überhitzten Punktes im Uran geben.

Der Abstand, mit welchem die Nuten (oder sonstigen Oberflächenvertiefungen) voneinander angeordnet sind, ist vorzugsweise so groß wie möglich, jedoch nicht zu groß, um das gewünschte Ergebnis, nämlich Vermeidung einer sich steigernden Dehnung der Hülle bis zu einem Bruchpunkte während der Lebensdauer des Brennstoff-Elementes, zu erhalten. Zu dichte Zwischenräume führen zu einem kostspieligen Erzeugnis und einer Verminderung der Uranmenge.

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoff-Element zur Verwendung in einem Kernreaktor, welches einen Brennstoffkörper aufweist, der von einer dicht anliegenden Schutzhülle umschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkörper mit einer Reihe von mit Abstand voneinander angeordneten Aushöhlungen, Aussparungen oder Vertiefungen auf seiner Oberfläche versehen ist und die Hülle in die mit Abstand voneinander angeordneten Vertiefungen zahnartig eingreift.

2. Brennstoff-Element zur Verwendung in einem Kernreaktor, welches einen zylindrischen Brennstoff-Körper aufweist, der von einer dicht anliegenden Schutzhülle umschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkörpef mit einer Reihe von mit Abstand voneinander angeordneten Umfangsnuten, die sich auf seiner Oberfläche erstrecken, versehen ist und die Hülle in die besagten Nuten zahnartig eingreift.

3. Brennstoff-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Körper vorherrschend aus Uran und die besagte Hülle vorherrschend aus Magnesium besteht.

4. Brennstoff-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Nuten/ einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen.

5. Brennstoff-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nuten im Bereich von einem Fünftel bis ein Drittel der Wandstärke der Hülle, die der Nut benachbart; ist, liegt, vorzugsweise jedoch ein Viertel def Wandstärke der Hülle beträgt.

6. Brennstoff-Element zur Verwendung in·:: einem Kernreaktor, welches einen zylindrischeß_j; ^:;, BrennstofEkörper mit Endscheiben aus nicht spalt%. barem Werkstoff aufweist, die von einer dicht

liegenden Schutzhülle umschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben eine Kriechfestigkeit aufweisen, die besser als diejenige des Hüllenwerkstoffes ist, und die einen Durchmesser haben, der größer als der des Brennstoffkörpers ist, und wobei der besagte Brennstoffkörper mit einer Reihe von mit Abstand voneinander angeordneten Umfangsnuten versehen ist, die sich auf dessen Oberfläche erstrecken, und die Hülle in die erwähnten Nuten zahnartig eingreift.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen