DE1589010B2 - Brennelement für Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Kernreaktor, insbesondere für einen schnellen Reaktor, das eine Hülle aus Metall aufweist, deren Außenumfangswände äußerlich einem strömenden Kühlmittel ausgesetzt sind, und das eine Zwischenschicht aus einem festen Stoff enthält, die sich zwischen den Hüllwänden und einer innerhalb der Hülle befindlichen Masse keramischen Brennstoffes befindet und mit beiden in direkter oder indirekter Berührung steht.
Die gegenwärtige Forschung über keramische Brennstoffe, wie beispielsweise ein Gemisch aus Uran- und Plutonium-Dioxyd oder -Monocarbid, zeigt, daß das durch die festen und gasförmigen Spaltprodukte bedingte Anschwellen des Brennstoffes eine Hauptursache für die Zerstörung der Brennelemente ist.

Der erzielbare Abbrand der schweren Atome ist dadurch begrenzt.

Aus wirtschaftlichen Gründen sollte aber in den schnellen Reaktoren ein höchstmöglicher Abbrand der schweren Atome erzielt werden.

Eine wichtige Aufgabe der Umhüllung des Reaktorbrennstoffes ist es, den Brennstoff in der vorgegebenen Form zu halten. Dieser Aufgabe kommt allerdings bei einem kohärenten metallischen Brennstoff weniger Bedeutung zu, bei dem man davon ausgehen kann, daß er in einem Stück erhalten bleibt und der aus diesem Grunde mit einem Spalt zwischen dem Brennstoff und der Hülle hergestellt werden kann. Der Zusammenhalt eines keramischen Brennstoffes ist aber nicht gewähr-

leistet, wenn es sich um einen granulierten oder pulverförmigen Brennstoff handelt. Bei dem keramischen Brennstoff ist daher eine feste Passung in der Hülle üblich.

Die festanliegende Hülle ist naturgemäß dem Schwellen des Brennstoffes ausgesetzt und wird auf diese Weise einer Berstkraft ausgesetzt, was schließlich zu einem Aufbersten der Hülle führt.

Um ein Aufbersten der Hülle zu vermeiden, bieten sich zwei Lösungen an.

Die eine Lösung besteht darin, daß man die Hülle mit einer Festigkeit ausführt, die ausreicht, um den Schwellungskräften standzuhalten; die andere Lösung besteht darin, die Tendenz des Brennstoffes zur Schwellung zu beseitigen bzw. weitgehend herabzusetzen.

Die zweite Lösung kann praktisch verwirklicht werden, indem der Brennstoffquerschnitt auf ein Minimum verringert wird. Dieser Lösung dürfte der Vorzug gegeben werden, da man eine starke Umhüllung wegen des beträchtlichen Wärmegefälles, das über die Wandstärke hin sich erstreckt, vermeiden muß.

Die Schwellungskräfte werden bei dieser Lösung zwar weitgehend ausgeschaltet, jedoch nur dann, wenn der Brennstoff kühl genug gehalten werden kann. Will man aber ein Brennelement von der Form eines Stabes verwenden, so würde man — wenn man den Brennstoff kühl genug halten will, um eine nennenswerte Anschwellung zu vermeiden — einen Stab mit einem sehr kleinen Querschnitt benötigen. Eine derart extreme Verringerung des Querschnittes würde aber zu einer enormen Vergrößerung des Reaktors wegen der zahlreichen benötigten Einheiten führen müssen oder aber es würde die Betriebssicherheit des Reaktors beeinträchtigt, wenn der Reaktor nicht ausreichend vergrößert wird.

Die vorliegende Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, ein Brennelement für einen Kernreaktor zur Verfügung zu stellen, das die oben geschilderten Schwierigkeiten überwindet, das also gestattet, den Reaktor mit verhältnismäßig geringen Abmessungen zu konstruieren, gleichzeitig aber die Anschwellung und die damit verbundenen Berstkräfte in engen Grenzen hält, so daß ohne weiteres die Konstruktion von stabförmigen Brennelementen mit vernünftigen, d. h. genügend großen Querschnitten möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennelement für einen Kernreaktor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dichte des Brennstoffes unter der theoretischen Maximaldichte liegt, um eine Porosität oder verteilte Hohlräume zu enthalten, und daß in an sich bekannter Weise der feste Zwischenschichtstoff eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als der Brennstoff aufweist.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß bei dem erfindungsgemäßen Brennelement die oben geschilderten Nachteile nicht mehr auftreten, d. h. das Brennelement weist vernünftige Abmessungen, insbesondere genügend große Querschnitte auf, so daß die Größe des Reaktors in Grenzen gehalten werden kann, und die Berstkräfte sind gleichzeitig durch Anschwellen so gering, daß die Stärke der Hülle des Brennelementes in engen Grenzen gehalten werden kann.

Aus der-belgischen Patentschrift 646 434 ist bereits ein Reaktorbrennstoff bekannt, der mit einer Hülle versehen ist, wobei sich zwischen der Hülle und dem Spaltstoff eine feste Zwischenschicht befindet, die aus schwammigem pyrolytischen Kohlenstoff geringer Dichte besteht. Diese Zwischenschicht hat zwangsläufig eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als der Brennstoff. Die Aufgabe, die sich die vorliegende Erfindung stellt, wird aber mit dem Reaktorbrennstoff der belgischen Patentschrift nicht gelöst.

Nach einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgemäßen Brennelementes enthält der feste Zwischenschichtstoff einen Brutstoff, der relativ weniger spaltbare Atome als der keramische Brennstoff enthält.

Vorzugsweise handelt es sich beim erfindungsgemäßen Brennelement um ein solches mit Plutoniumanreicherung des Brennstoffes, wobei die Zwischenschicht eine keramische Verbindung von atürlichem oder angereichertem Uran ist.

Die den Brennstoff und die Zwischenschicht bildenden Verbindungen sind dabei vorzugsweise von der gleichen Art Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Zwischenschicht eine Dichte auf, die im wesentlichen in dem gleichen Verhältnis zu ihrer maximalen Dichte steht, wie die wirkliche Brennstoffdichte zu der theoretischen Maximaldichte des Brennstoffes.

Die Zwischenschicht besteht vorzugsweise aus einem neutralen, Wärmeisolierenden Stoff.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennelements ist dieses ein solches mit einem Brennstoff in Form von Dioxyd und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoff entweder Zirkonoxyd oder Aluminiumoxyd ist.

Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Brennelement um ein solches mit Plutoniumanreicherung im Brennstoff, so ist das Plutonium im Brennstoff vorzugsweise gleichmäßig verteilt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Brennstoff in eine innere und äußere Zone unterteilt, wobei die an die Zwischenschicht aus Wärmeisolierstoff angrenzende äußere Zone eine höhere Konzentration an spaltbaren Atomen aufweist als die innere Zone.

Vorzugsweise liegt die Protonenanreicherung des Brennstoffes ausschließlich in der äußeren Zone und die äußere Zone besteht nur aus einer keramischen Plutoniumverbindung.

Bevorzugt weist das Brennelement mindestens ein durch den Brennstoff führendes Kühlmittelrohr auf, so daß das Element sowohl eine innere als auch eine äußere gekühlte Oberfläche besitzt, wobei sowohl die äußere als auch die innere gekühite Oberfläche für Kühlung mit einem gemeinsamen Kühlmittel ausgeführt sind. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht nur an der äußeren Oberfläche vorgesehen ist. Bei dem erfindungsgemäßen Brennelement ist vorzugsweise die äußere gekühlte Oberfläche in der Form einer Hülle ausgeführt und mehrere Metallkühlmittelrohre sind in der Hülle angeordnet, um die innere gekühlte Oberfläche zu bilden. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in der Form von gelochten Pallets vorliegt, die über die Rohre zu Säulen angeordnet sind und sonst so ausgebildet sind, daß sie die Berührung der Säulen untereinander nur über einen Teil des Säulenumfanges gestatten, so daß die zwischen den Säulen gebildeten Spalte dazu beitragen, daß der Brennstoff eine niedrigere als die theoretische Maximaldichte aufweist.

Bevorzugt wird die an die Zwischenschicht angrenzende Brennstoffoberfläche durch die Zwischenschicht veranlaßt, während des Betriebes des Brennelementes bei der projektierten Nennwärmeleistung eine Temperatur von mindestens 1000° C zumindest in dem Bereich

des maximalen Abbrandes des Elementes zu erreichen.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Brennelement die Zwischenschicht kontinuierlich und von gleichmäßiger Stärke.

Bevorzugt weist der Brennstoff des erfindungsgemä-Ben Brennelementes eine gerippte Oberfläche auf, die an die Zwischenschicht angrenzt.

Die Hauptursache der Beanspruchung der Hülle durch Anschwellen des Brennstoffes liegt darin, daß sich-der Außenrand des Brennstoffes beim Anschwellen wie ein kontinuierlicher Bogen verhält. Das trifft für die in den gegenwärtigen schnellen Reaktoren typischen Oberflächentemperaturen des Brennstoffes zu, da der Brennstoff bei diesen Temperaturen noch eine hohe Festigkeit und einen hohen Formänderungswiderstand aufweist. Mit anderen Worten, die auf die Umhüllung wirkenden Spannungs- oder Berstkräfte sind nicht hydraulischer Natur, sondern sie hängen von der Festigkeitdes Brennstoffes ab. Die Festigkeit ist wiederum, von der Druckkriechfestigkeit abhängig und diese nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Wenn man es also so einrichtet, daß das Anschwellen des Brennstoffes mit höherer Temperatur und folglich mit erhöhter Plastizität des Brennstoffes verbunden wird, so ergibt sich die Folgerung, daß der Brennstoff beim Schwellen in die benachbarten Hohlräume plastisch fließen könnte.

Es steht daher im Gegensatz zur herrschenden Meinung, wenn die Erfindung höhere statt niedrigere Brennstofftemperaturen fordert, zumindest in bezug auf die Brennstoffbereiche, in denen höhere Spaltgeschwindigkeiten vorherrschen.

Eine Brennstoff temperatur von nicht unter 1000⁰C würde ausreichen, um bei einem Brennstoff, wie es das spaltbare Dioxyd ist, das Auffangen des Anschwellens in den benachbarten Hohlräumen mit Sicherheit zu erreichen. Bei einem länglichen Element ist das Bestreben nach einer solchen hohen Oberflächentemperatur an den Enden des Elementes im allgemeinen weder durchführbar nocht notwendig, und zwar besteht in Richtung zu den Enden ein abfallender Temperaturgradient, der das Ergebnis der Erniedrigung der Neutronenflußdichte und somit auch der Spaltgeschwindigkeit im Brennstoff ist. Die niedrigere Spaltgeschwindigkeit schließt in sich eine geringe Schwellungstendenz und infolgedessen auch einen geringeren Bedarf an Maßnahmen zur Vermeidung des Anschwellens auf der Außenoberfläche ein. Die Mindesttemperatur des Brennstoffes von 1000⁰C sollte daher zumindest in der Zone des maximalen Abbrandes erreicht werden. Diese Zone befindet sich im allgemeinen in der Mitte des mit Brennstoff gefüllten Abschnittes eines länglichen Elementes. Die derzeit für die Umhüllung in Frage kommende Metalle müssen auf einer Temperatur erheblich unter 1000° C gehalten werden. Rostfreie Stähle und bestimmte Nikkellegierungen werden zur Zeit für die Hüllen bevorzugt, die in flüssigmetallgekühlten schnellen Reaktoren eingesetzt werden sollen, aber die höchste Temperatur, die sie gestatten, überschreitet nicht 700⁰C. Infolge der Dichtigkeit der Zwischenschicht besteht noch immer ein festes Anliegen der Hülle samt der Zwischenschicht auf dem Brennstoff, so daß der Brennstoff in seinem Umfang eingezwängt wird. Indessen genügt aber schon ein leichter Zwang, um den geschwächten Brennstoff in die- Hohlräume zu drücken, und auf diese Weise wird das strahlungsinduzierte Anschwellen innerhalb des Brennstoffes aufgefangen. Befindet sich der Brennstoff in. der Form von vorgesinterten Pellets, so kann der Hohlraum beispielsweise durch die Anordnung eines Loches konzentriert werden, oder — falls der Brennstoff lose ist — die Packungsdichte kann so gesteuert werden, daß der gewünschte Anteil an Hohlräumen gewonnen wird. Für den Fall, daß es sich um eine Hülle des eingeschweißten Typs — zum Unterschied zu einer vom entlüfteten Typ — handelt, ist das Vorhandensein eines brennstoffreien Teiles der Hülle vorgesehen, der als Sammelbehälter für die aus dem Brennstoff freiwerdenden Gase dient. Brennstoffarten, die die größte Erniedrigung der Kriechfestigkeit mit der Temperatur aufweisen, sind bevorzugt, die Erfindung ist jedoch auf jede Art keramischer Brennstoffe anwendbar. Nitride und Solizide sind weitere Beispiele neben den Oxyden und Carbiden.

Zur weiteren Beschreibung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen.

F i g. 1 ist der Längsschnitt durch ein Bündelelement für einen flüssigmetallgekühlten schnellen Reaktor. Der Brennstoff ist in diesem Bündelelement in den Brennstoffstäben enthalten.

F i g. 2, 3,4, 5 und 6 sind Querschnitte verschiedener Formen des erfindungsgemäßen Brennstoffstabes, die sich zur Verwendung in einem Bündelelement, wie in F i g. 1 gezeigt, eignet.

F i g. 7 ist der Längsabschnitt eines Brennelementes des Typs »Rohr in der Hülle«, ebenfalls für die Verwendung in einem flüssigmetallgekühlten schnellen Reaktor, und

F i g. 8 ein Querschnittausschnitt, geführt durch die Linie H-II der F i g. 7, der zeigt, wie die Erfindung auf eine Brennelement dieses Typs angewendet werden kann.

Die hexagonale Hülle 10 dew Bündelelementes der Fig. 1 ist mit dem unteren Fitting Il ausgestattet, bestehend aus getrennten zylindrischen Lagerflächen 12 und 13 zum Einpassen in eine Fassung der Tragkonstruktion des Reaktorkernes, so daß das Bündelelement von dieser Konstruktion in freitragender Weise gestützt wird. Zwischen den Lagerflächen befindet sich ein Filter aus rostfreiem Stahlgeflecht 14, so daß das Kühlmittel (in diesen Beispielen wird Natrium als Kühlmittel angenommen), das in die in der Tragkonstruktion des Kernes eingebaute Zuführungs-Überdruckkammer eingespeist wird, durch den Boden der Hülle eintreten und darin hochgedrückt werden kann. Nach dem Einlegen in den Kern ist jedes Bündelelement nur durch schmale Spalte von den benachbarten getrennt, die durch die Teilung der Fassungen in der Kerntragkonstruktion sowie durch die von der Hülle vorspringenden Kantenauflagerungen oder Puffer, wie beispielsweise 15 und 16, vorgegeben sind.

Die mit 17 bezeichneten Brennstäbe sind innerhalb der Hülle 10 in paralleler Anordnung auf einen Dreieckgitter gebündelt, wobei die Gitterteilung groß genug ist, um sicherzustellen, daß die Stäbe nicht miteinander in Kontakt kommen; sie sind zwischen der oberen und unteren Stabhalteplatte unverrückbar schwimmend angeordnet und werden in Querrichtung durch in Abständen über die Länge des Bündels angeordneten Gitterkonstruktionen (nicht gezeigt) fixiert. Das in der Hülle nach oben gedrückte Kühlmittel umfließt somit die Stäbe in Längsrichtung und führt die durch sie erzeugte Wärme ab. Der in F i g. 1 im Schnitt dargestellte Brennstab zeigt, wie ein leerer Abschnitt 20, dessen Länge etwa der halben Länge eines jeden Stabes entspricht, am unteren Ende angeordnet ist, um als Sammelbehälter für die aus dem Brennstoff wäh-

rend des Betriebes freigewordenen Gase zu dienen. Dieser leere Abschnitt ist vorgesehen, weil Stäbe des eingeweißlen Typs angenommen werden. Über dem leeren Abschnitt befinden sich drei Abschnitte, nämlich der untere Brutabschnitt 22, der Brennstoffabschnitte 23 und der oberen Brutabschnitt 24. Die Erfindung bezieht sich vor allem auf den Brennstoffabschnitt. Der Inhalt der Brutabschnitt kann in beliebiger Weise ausgeführt werden, die in Kombination mit den Anordnungen des Brennstoffabschnittes angemessen ist. Die An-Ordnungen werden in den F i g. 2 bis 6 beschrieben.

In F i g. 2 ist der in der zylindrischen Hülle 25 enthaltene Brennstoff in zwei Zonen mit unterschiedlicher Konzentration der spaltbaren Atome unterteilt, wobei die Zone 26 mit der höheren Konzentration der spaltbaren Atome zumindest zum größten Teil von der anderen Zone 27 umgeben ist. Im Extremfall kann praktisch der ganze spaltbare Inhalt des Brennstoffes innerhalb der Zone 26 konzentriert sein, während die äußere Zone hauptsächlich aus Brutmaterial besteht. In Fällen also, in denen Plutoniumatome zur Anreicherung verwendet werden, kann die innere Zone ausschließlich aus keramischem Plitonium bestehen, während die äußere Zone aus keramischem Uran besteht, das vorzugsweise an spaltbaren Isotopen verarmt ist. Obwohl die spaltbaren Atome vorteilhafterweise möglichst weitgehend in die innere Zone abgesondert werden, ist es nicht unbedingt von Vorteil, wenn die gesamten brutbaren Atome in der äußeren Zone abgesondert sind. Sollte die Absonderung derart vollkommen sein, so ist es wahrscheinlich, daß die Temperaturen in der Nähe des Zentrums den Schmelzpunkt der inneren Zone überschreiten, insbesondere dann, wenn diese Zone von einem Oxyd gebildet wird. Oxyde weisen im allgemeinen eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf und deshalb sind in Fig.2, wo oxydischer Brennstoff verwendet wird, die Plutoniumatome in der inneren Zone 26 mit brutbaren Uranatomen verdünnt. Genauer gesagt, besteht die innere Zone aus (UPu)O2, möglicherweise in einer nicht ganz stöchiometrischen Zusammensetzung, beispielsweise das Uran mit der natürlichen Konzentration des Isotrops 235, und die Plutoniumanreicherung mit etwa 27%.

Die äußere Zone 27 ist vorzugsweise eine keramische Verbindung des gleichen Typs, so daß die beiden Zonen in unmittelbarem Kontakt sein können, ohne daß eine Zwischenschicht zwischen ihnen erforderlich ist. Die äußere Zone in F i g. 2 ist daher natürliches oder angereichertes UO2.

Beide Zonen haben eine Dichte, die unter der theoretischen Maximaldichte liegt, beispielsweise 80% oder vielleicht auch weniger, je nach dem angestrebten Abbrandgrad. Im Falle, daß die innere Zone aus Pellets des angereicherten Brennstoffes besteht, werden diese Pellets zu der erforderlichen Dichte vorgesintert. Die äußere Zone kann aus Pulver bestehen, wobei die Pakkungsdichte gesteuert wird. Führungsrippen, wie beispielsweise 28, werden an den Pellets der inneren Zone für die Zentrierung in der Hülle 25 ausgebildet.

Die Stärke der äußeren Zone in F i g. 2 soll groß genug sein, um die Oberflächentemperatur der inneren Zone (mit Ausnahme der Rippen 28) um etwa 400⁰C über die Oberflächentemperatur der äußeren Zone zu erhöhen. Wenn man das Temperaturgefälle zwischen dieser Außenoberfläche und den außerhalb des Stabes fließenden Kühlmittel berücksichtigt, so bedeutet diese Erhöhung, daß die Oberflächentemperatur der inneren Zone 100O⁰C übersteigen wird und daß der Brennstoff in der inneren Zone infolgedessen genügend warm und daher plastisch sein wird, um unter der Wirkung des durch die Spaltprodukte bedingten Anschwellens in die örtlichen Hohlräume zu fließen, ohne dabei einen unerwünschten Druck auf die äußere Zone auszuüben, nämlich einen Druck, der die Metallhülle überbeanspruchen würde. Obwohl die Rippen 28 kühler und daher fester sein werden, so sind sie doch nicht mehr ein Teil des kontinuierlichen Bogens und da sie genügend weit voneinander liegen, dürften sie keinen größeren Druck auf die äußere Zone ausüben; auch wenn sie sich praktisch als nicht verformbar erweisen sollten, so kann man sich doch vorstellen, daß sie bestrebt sein werden, sich in den Grundkörper der inneren Zone einzubetten. Die Rippen veranschaulichen die Tatsache, daß die durch die äußere Zone dargestellte Zwischenschicht die ihr zugedachte Funktion allein dadurch erfüllen kann, daß sie eine Diskontinuität der Oberfläche des angereicherten Brennstoffes, die in direkter Wärmeaustausch-Beziehung mit der Metallhülle steht, herbeiführt.

Die im Hinblick auf F i g. 2 genannten Temperaturen sowie die Temperaturen, die im Hinblick auf die anderen Figuren nachstehend genannt werden, bezieht sich auf die Zone des maximalen Brennstoffabbrandes bei der projektierten Wärmenennleistung. Hinsichtlich F i g. 2 muß man sich vergegenwärtigen, daß eine bestimmte Spaltung auch in der äußeren Zone stattfinden wird und daß diese mit dem fortschreitenden Abbrand wahrscheinlich zunehmen wird, da in der äußeren Zone mehr brutbares Material vorhanden ist als in der inneren Zone und infolgedessen mehr spaltbare Atome je Volumeinheit in der äußeren Zone gebrütet werden. So könnte beispielsweise eine anfängliche Verteilung der Spaltgeschwindigkeit von 5:1 auf einem durchschnittlichem Abbrand von 10% auf 3:1 erniedrigt werden. Es ist jedoch zu erwarten, daß eine Ausweitung der Abbrandgrenzen zu erzielen ist und es besteht der Vorteil, daß das Brutmaterial im höchstmöglichen Ausmaße zur Mithilfe bei der Umwandlung herangezogen wird.

In F i g. 3 ist F i g. 2 modifiziert, wobei ein keramischer Brennstoff mit höherer Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Monocarbid, verwendet wird. Die äußere Zone 29 besteht aus natürlichem oder abgebranntem UC, und da sie stärker ist als die entsprechende Zone in F i g. 2, wird sie zweckmäßigerweise in Form von hohlen ringförmigen Pellets ausgebildet, in denen der angereicherte Brennstoff, d. h. (UPu)C, in Pulverform eingestampft wird, um die innere Zone 30 zu bilden. Wie im vorherigen Falle befindet sich die Plutoniumanreicherung ausschließlich in der inneren Zone.

Bei jeder der Anordnungen in F i g. 4,5 und 6 besteht die äußere Zone oder Zwischenschicht aus neutralem feuerfestem Stoff und ohne jeden Gehalt an schweren Atomen. Um die erforderliche Menge dieses neutralen Stoffes gering zu halten, kann eine erheblich niedrigere Temperaturerhöhung als die im Hinblick auf F i g. 2 genannten 400⁰C, angestrebt werden. Die Menge dieses Stoffes verringert sich also proportional zu einer Wärmeleitfähigkeit und deshalb ist Zirkonoxyd das bevorzugte Material, das am besten im Calciumoxyd gegen Verfall durch Neutronenbestrahlung stabilisiert wird. Der typische Wert der Wärmeleitfähigkeit des Zirkonoxyds beträgt 0,0168 Watt/cm°C und liegt damit sogar unterhalb der Leitfähigkeit der Oxydbrennstofformen, zumindest bis zu Temperaturen von beispielsweise 180O⁰C für ein Material mit hoher Dichte.

Bei der Verwendung der Zwischenschicht 31 aus Zirkonoxyd in F i g. 4 genügt eine relativ geringe Stärke,

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um die Oberflächentemperatur der von der Zwischenschicht umgebenen Brennstoffzone 32 um etwa 300⁰C zu erhöhen. Nimmt man an, daß die Brennstoffzone aus (UPu)O2 besteht, so ist von Vorteil, ein zentrales Loch 33 in der Brennstoffzone auszubilden, um die Temperatur des zentralen Brennstoffbereiches herabzusetzen und dadurch zu gewährleisten, daß diese Temperatur den Schmelzpunkt des Brennstoffes nicht überschreitet.

Während die Brennstoffzone 32 in F i g. 4 eine gleichmäßige Verteilung der Plutoniumanreicherung aufweist, wird in F i g. 5 die Begrenzung der Temperatur des zentralen Brennstoffbereiches durch Absonderung der Plutoniumanreicherung in eine dritte, zwischen der Zwischenschicht 35 und dem Kern 36 aus brutbarem Material eingelegten Zone 34 erreicht. F i g. 5 weist daher eine gewisse Ähnlichkeit mit F i g. 2 auf mit dem Unterschied, daß die Beziehung der Zonen umgekehrt ist und eine wärmeisolierende neutrale Zwischenschicht eingeführt wird. Die Zone 34 besteht vorzugsweise nur aus keramischem Plutonium, so daß das gesamte Plutonium von Anfang an aus dem Zentralbereich des Brennstoffstabes entfernt wird. Die Zone 34 besteht also aus PuO2 und der Kern 36 aus natürlichem oder abgereichertem UO2. Die Zwischenschicht 35 ist viel stärker als in Fig.4, um zu veranschaulichen, daß die Alternativen zum Zirkonoxyd, wie beispielsweise in diesem Falle Alumiumoxyd, größere Stärken erfordern, um die gleiche Erhöhung der Brennstoffoberflächentemperatur zu erreichen. Die Verträglichkeit mit dem Brennstoff und dem Hüllenmaterial stellt natürlich eine wichtige Überlegung im Hinblick auf das Material der Zwischenschicht dar. Weitere Beispiele der möglichen Isoliermaterialien sind Beryloxyd, pyrolytischer Kohlenstoff mit seiner minimalen Leitfähigkeit senkrecht zur Brennstoffoberfläche und Magnesiumoxyd, wobei die letztgenannte für den Monocarbidbrennstoff geeignet ist. Aufgrund der größeren Stärke der Zwischenschicht in F i g. 5 dürfte es möglich sein, die Zwischenschicht aus im Schlickergußverfahren gefertigten ringförmigen Schalen herzustellen.

Die Drei-Zonen-Anordnung in F i g. 5 erfährt eine erhebliche Veränderung der Abmessungen, wenn Zirkonoxyd wie in F i g. 6 für die Zwischenschicht verwendet wird. Der Durchmesser des UO2-Kernes 37 ist derart vergrößert, daß die Zwischenschicht 38 und die Plutoniumzone 39 sich wie Überzüge auf dem UO2-Kern ausnehmen. Daher bieten sich in diesem Falle die Fertigungsverfahren der Überzugsaufbringung an. Die Fertigung wird im allgemeinen von der Natur des Materials, der erforderlichen Stärke und der zu erzielenden Dichte abhängen. Außer den bereits erwähnten Formgebungsverfahren können — den Umständen entsprechend — auch das Flammspritzen und das Verbundstrangpressen in Betracht gezogen werden. Zur Verdichtung der aus Pulver gestampften Zwischenschicht, oder einfach zur Gewährleistung einer innigen Anschmiegung an die Hülle kann die gefüllte Hülle durch Rundhämmern oder Explosionsformgebung nachbearbeitet werden.

Wenn der Brennstoff in einer Weise umhüllt wird, die sowohl innere als auch äußere gekühlte Oberflächen vorsieht, dann ist es nicht erforderlich, daß die inneren Oberflächen mit den durch die Erfindung vorgesehenen höheren Temperaturen betrieben werden, da das Anschwellen nach außen tendiert und daher die Hülle an dieser Oberfläche nicht beanspruchten wird. In einem rohrförmigen Element also, besser gesagt in einem Element mit konzentrischen inneren und äußeren Hüllen und mit dem Brennstoff in dem Raum zwischen diesen Hüllen, ist eine Zwischenschicht oder eine schwach spaltbare Zone nur an der äußeren Hülle notwendig. Ein Element des Typs »Rohr in der Hülle« schließt die Erfindung in einer ähnlichen Weise ein, wie sich aus der folgenden Beschreibung der F i g. 7 und 8 ergibt. Die Hülle des Elements in F i g. 7 besteht aus einer hexagonalen Außenschale 60, deren Innenraum durch — in der Art der Rohrwände ausgeführten — Trennwände, wie beispielsweise 61a, 616, 62 und 63 unterteilt ist. Wie in F i g. 1 gibt es auch hier ein oberes Fitting 64, ein unteres Fitting 65 mit den Lagerungsflächen 66, 67 und einen Filter 70. Das Element soll daher im Reaktorkern genau in der gleichen Weise abgestützt werden wie das in Fig. 1 dargestellte Bündelelement. Zur Außenkühlung des Elements wird ein Kühlmittelstrom zwischen der zylindrischen Lagerfläche 66 und der ergänzenden Einrastfläche der Fassung, in der das Brennelement eingepaßt ist, geführt. Angemessene Toleranzen an diesen Flächen können ausreichen, um den erforderlichen Außenkühlungsstrom zu ermöglichen, man kann jedoch, wie gezeigt, vorzugsweise vorgeformte Kanäle, wie durch die mit 71 bezeichnete Nut dargestellt, benutzen. Wie im vorherigen Falle gibt es auch hier Kantenauflagerungen oder Puffer, wie beispielsweise 72 (F i g. 8), die an einer oder mehreren Stellen über die Länge, des Elements von der Hülle 60 hervorragen, um einen Spalt zwischen dem Element und seinen Nachbarn zu gewährleisten. Mit Ausnahme dieser Kantenauflagerungen sind diese Spalte ohne Hindernisse und der Außenkühlungsstrom des Kühlmittels fließt daher durch diese Spalte als eine relativ dünne Strömungsschicht, deren Strömungsgeschwindigkeit vorgegeben ist, beispielsweise durch die Nuten 71, um eine Austrittstemperatur zu erhalten, die nahe der Temperatur des durch das Innere des Gehäuses fließenden Kühlungsstromes ist.

Zwischen den Trennwänden 61a und 61 b erstrecken sich an beiden Enden offene Kühlmittelrohre, wie beispielsweise 73, die in dreieckiger Teilung parallel zueinander angeordnet sind. Diese Rohre sind auf die Trennwände 61a und 6\b angeschweißt und der Raum zwischen ihnen ist mit brutbarem Stoff 74 ausgefüllt, der den unteren Brutabschnitt 75 bildet. Der obere Brutabschnitt 76 ist in ähnlicher Weise zwischen der Trennwand 63 und einer anderen Zwischentrennwand (nicht gezeigt) ausgebildet. Zwischen dem oberen und dem unteren Brutabschnitt befindet sich der Brennstoffabschnitt 77, der sich zwischen der Trennwand 62 und einer weiteren, nicht eingezeichneten Zwischentrennwand erstreckt, wobei die wechselseitige Anordnung der nicht eingezeichneten Trennwände die gleiche ist, wie die der Trennwände 61 b und 62.
Der Brennstoffabschnitt ist länger als der obere und untere Brutabschnitt, aber die Anordnung der Kühlmittelrohre ist die gleiche. Die Füllung zwischen den Rohren besteht aus Brennstoff 78, dessen Niveau bis in die Nähe des oberen Endes des Brennstoffabschnittes reicht. Damit die Hülle keinen Innendrucken ausgesetzt wird, die durch die von dem Brennstoff während des Betriebs abgegebenen Gase erzeugt werden, ist der Brennstoffabschnitt für die Entlüftung dieser Gase, vorzugsweise in das Kühlmittel, ausgeführt.
Zwecks Entlüftung der Gase ist die Hülle doppelwandig ausgeführt, wobei die Doppelwände eine Kammer 79 und eine Dichtungskammer 80 bilden. Ein kleinkalibriges. an die Oberfläche der Hülle 60 sich anschmiegendes Entlüftungsrohr 81, mündet mit seinem

offenen Ende 82 in die Kammer 79 bis unter die freie Oberfläche 83 der in dieser Kammer befindlichen Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit ist zweckmäßigerweise Natrium, um die Zäsium-Spaltprodukte zurückzuhalten, aber es können auch andere Flüssigkeiten verwendet werden, je nach den Produkten, deren Zurückhalten angestrebt wird. Fern von dem unteren Ende 82 mündet das Entlüftungsrohr 81 in den Brennstoffabschnitt 77 ein. Der Entlüftungsweg wird durch ein zweites Entlüftungsrohr 84 vollendet, das mit seinen entgegengesetzten Enden in die oberen Bereiche der Kammern ausmündet, sowie durch mehrere öffnungen, wie beispielsweise die mit 85 bezeichnete, mit Hilfe der der untere Bereich der Dichtungskammer mit dem Außenraum der Hülle und somit mit dem Kühlmittelstrom kornmunziert. Das Volumen der Dichtungskammer muß so bemessen sein, daß das durch die öffnungen 85 bei vollem Lastdruck eintretende Kühlmittel infolge der Gasverdichtung im Entlüftungsweg das obere Ende des zweiten Entlüftungsrohres 84 nicht erreichten kann, auch wenn das Gas kalt ist. Die Kombination des zweiten Entlüftungsrohres mit der Verdichtungskammer funktioniert also wie eine Taucherglocke und bietet die Sicherheit, daß das Kühlmittel nicht weiter in den Entlüftungsweg vordringen kann als bis zu der Dichtungskammer. Die von dem Brennstoff abgegebenen Gase können jedoch aus dem unteren Ende des Entlüftungsrohres 81 durch die Flüssigkeit durchperlen und schließlich nach dem Niederdrücken des Kühlmittels in der Dichtungskammer bis zu der Ebene der Öffnungen 85 in das außerhalb der Hülle strömende Kühlmittel entweichen. Der Entlüftungsweg kann auch von den Brutabschnitten in Anspruch genommen werden, in dem man einfach das Entlüftungsrohr 81 bis in den oberen Brutabschnitt verlängert und dafür sorgt, daß das Rohr in jedem der drei Abschnitte eine öffnung hat. Im Hinblick auf Fig.8 wird darauf hingewiesen, daß die Hüllenwand 60 zu einem schlechteren Wärmeleiter als die Kühlmittelrohre, hier mit 85 bezeichnet, mit Hilfe einer Isolierzwischenschicht 87, beispielsweise aus Zirkonoxyd, gemacht wird.

Als Brennstoff wird (UPu)O2 angenommen, der in Pulver- oder körniger Form ohne Beimengungen zu einer Packungsdichte von 80% der theoretischen Maximaldichte, oder vielleicht sogar weniger, verdichtet wird. Die Dichte, und somit auch der Hohlraumbetrag hängen von dem angestrebten Abbrandgrad ab. Unter der Bedingung von 1 bis 2% Hohlraum je Prozent des projektierten Maximalabbrandes der schweren Atome, könnte ein Hohlraumbetrag von 15 (gleich einer Dichte von 85%) ausreichend sein. Der Hohlraumbetrag kann, zumindest zum Teil, dadurch erreicht werden, daß man über die Kühlmittelrohre a geschobene gelochte Pellets verwendet, deren Umfangsform so ausgebildet ist, daß ein freier Raum zwischen den Pelletsäulen entsteht. So z. B. wurden ringförmige Pellets, gestapelt zu sich berührenden Säulen, solche Spalte bilden.

Bei einer Stärke der Zwischenschicht, die der Außenoberflächentemperatur des Brennstoffes von mindestens 1000⁰C zumindest in der Zone des maximalen Abbrandes des Brennstoffs entspricht, wird im ganzen Brennstoff dieser Zone, mit Ausnahme der die Kühlmittelrohre umgebenden Ränder, eine derartige Erniedrigung der Druckkriechfestigkeit erzielt, daß das strahlungsinduzierte Anschwellen in den Hohlräumen des Brennstoffs aufgefangen werden kann. Infolgedessen wird die durch die Hülle gebildete äußere Umhüllung von einem großen Teil der Schwellungskräfte entlastet. Anstatt der neutralen Zwischenschicht 87 kann natürlich eine Zwischenschicht aus schwach spaltbarem oder brutbarem Stoff in einer den Anordnungen in den F i g. 2 und 3 entsprechenden Weise verwendet werden. Es wird auch darauf hingewiesen, daß die Zwischenschicht aus der Kombination der beiden, d. h. des neutralen Stoffes und des schwach spaltbaren oder brutbaren Stoffes, ausgeführt werden kann. Wenn z. B. Berylloxyd verlangt wird, um den Reaktivitätsüberschuß oder dem Kühlmittelverlust im Reaktor entgegenzuwirken, so kann dieses Berilloxyd der Zwischenschicht beigemengt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Brennelement für einen Kernreaktor, insbesondere für einen schnellen Reaktor, das eine Hülle aus Metall aufweist, deren Außenumfangswände äußerlich einem strömenden Kühlmittel ausgesetzt sind, und das eine Zwischenschicht aus einem festen Stoff enthält, die sich zwischen den Hüllwänden und einer innerhalb der Hülle befindlichen Masse keramischen Brennstoffes befindet und mit beiden in direkter oder indirekter Berührung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Brennstoffes unter der theoretischen Maximaldichte liegt, um eine Porosität oder verteilte Hohlräume zu enthalten, und daß in an sich bekannter Weise der feste Zwischenschichtstoff eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als der Brennstoff aufweist.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Zwischenschichtstoff einen Brutstoff enthält, der relativ weniger spaltbare Atome als der keramische Brennstoff enthält.

3. Brennelement gemäß Anspruch 1, mit Plutoniumanreicherung des Brennstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine keramische Verbindung von natürlichem oder angereichertem Uran ist.

4. Brennstoffelement gemäß Amspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Brennstoff und die Zwischenschicht bildenden Verbindungen der gleichen Art sind.

5. Brennelement gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine Dichte hat, die im wesentlichen in dem gleichen Verhältnis zu ihrer theoretischen Maximaldichte ist, wie die wirkliche Brennstoffdichte zu der theoretischen Maximaldichte des Brennstoffes.

6. Brennelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischendichte aus einem neutralen, wärmeisolierenden Stoff ist.

7. Brennelement gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoff entweder Zirkonoxyd oder Aluminiumoxyd ist.

8. Brennelement gemäß Anspruch 6 oder 7 mit Plutoniumanreicherung im Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß das Plutonium im Brennstoff gleichmäßig verteilt ist.

9. Brennelement gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in eine innere und eine äußere Zone unterteilt ist, wobei die an die Zwischenschicht aus Wärmeisolierstoff angrenzende äußere Zone eine höhere Konzentration an spaltbaren Atomen hat, als die innere Zone.

10. Brennelement gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Plutoniumanreicherung des Brennstoffes ausschließlich in der äußeren Zone liegt und die äußere Zone nur aus einer keramischen Plutoniumverbindung besteht.

11. Brennelement gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, mit mindestens einem durch den Brennstoff führenden Kühlmittelrohr, so daß das Element sowohl eine innere als auch eine äußere gekühlte Oberfläche besitzt, wobei sowohl die äußere als auch die innere gekühlte Oberfläche für Kühlung mit einem gemeinsamen Kühlmittel ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht nur an der äußeren gekühlten Oberfläche

vorgesehen ist.

12. Brennelement gemäß Anspruch 11, wobei die äußere gekühlte Oberfläche in der Form einer Hülle ausgeführt ist und mehrere Metallkühlmittelrohre in der Hülle angeordnet sind, um die innere gekühlte Oberfläche zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in der Form von gelochten Pellets ist, die über die Rohre zu Säulen geschoben sind und sonst so ausgebildet sind, daß die Berührung der Säulen untereinander nur über einen Teil des Säulenumfanges gestatten, so daß die zwischen den Säulen gebildeten Spalte dazu beitragen, daß der Brennstoff eine niedrigere als die theoretische Maximaldichte aufweist.

13. Brennelement gemäß irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdichte weniger als 85% der theoretischen Maximaldichte ist.

14. Brennelement gemäß irgendeinem der vorangegangemenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Zwischenschicht angrenzende Brennstoffoberfläche durch die Zwischenschicht veranlaßt wird, während des Betriebes des Brennelementes bei der projektierten Nennwärmeleistung eine Temperatur von mindestens 1000⁰C zumindest in dem Bereich des maximalen Abbrandes des Elementes zu erreichen.

15. Brennelement gemäß irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht kontinuierlich und von gleichmäßiger Dicke ist.

16. Brennelement gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff eine gerippte Oberfläche hat, die an die Zwischenschicht angrenzt.