DE2150413A1 - Kernreaktorbrennstab - Google Patents

Description

WESTINGHOUSE Erlangen, 8.10.71

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Mein Zeichen: VPA 71/8950 Mü/Di

WE 41 352 Kernreaktorbrennstab

Es wird die Priorität der US-Patentanmeldung

Serial No. 084 302 vom 27.10.1970 in Anspruch, genommen

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernreaktorbrennstab, der aus einem mit Endstopfen verschlossenen dünnwandigen Hüllrohr sowie, unter Belassung eines Spaltgassammeiraumes an einem Ende des Stabes, einer Füllung aus Kernbrennstoff, vorzugsweise in Tablettenform, besteht und bei dem bereits vor dem Einsatz im Reaktorkern ein erhöhter Innendruck - Vorinnendruck vorgesehen ist.

Der im Innern soldier Kernreaktorbrennstäbe befindliche Kernbrennstoff kann aus spaltbarem Material aber auch aus Brutstoffmaterial bestehen. Weiterhin sind Mischungen dieser Stoffe, beziehungsweise ihrer Verbindungen evtl. auch mit Moderatorstoffen möglich. Der Ausdruck Kernbrennstoff soll daher alle diese Varianten umfassen. Vorzugsweise liegt der Kernbrennstoff in Tablettenform vor, bewährt hat sich vor allem oxydischer Brennstoff. Während des Reaktor-Betriebes herrscht im Innern der Brennstäbe eine sehr hohe Temperatur, die Außentemperatur liegt normalerweise über 260⁰C, der auf das Hüllrohr einwirkende Druck des Kühlmittels liegt über 140 at.

Eine Neuentwicklung in der Brennelementkonstruktion hat zu Brennstaben hingeführt, die bereits vor ihrem Einsatz im eigentlichen Reaktorkern einen erhöhten Innendruck aufweisen.

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Es sind dies Brennstäbe mit sogenanntem "Vorinnendruck". Diese Erhöhung des Innendruckes der Brennstäbe wirkt dem Außendruck auf die Hüllrohrwandung entgegen und reduziert dadurch die auf das Hüllrohr einwirkenden Kräfte. Diese Erniedrigung der Hüllrohrbeanspruchung ermöglicht eine dünnere Auslegung der Hüllrohre, wodurch infolge der geringeren Neutronenabsorption die Neutronenökonomie verbessert und außerdem die Reaktorbetriebskosten Terringert werden.

Während des Abbrandes des vorzugsweise tablettenförmigen Kernbrennstoffes - dieser kann aber beispielsweise auch in granulierter Form vorliegen - werden Spaltgase frei, die den Innendruck in den Brennstäben erhöhen. Dieser innere Druckaufbau verringert den Differenzdruck auf dem Hüllrohr sehr stark und erhöht dadurch zunächst die Verlässlichkeit solcher Brennstäbe. Nach einem stärkeren Abbrand ergibt sich jedoch ein derartig hoher innerer, den äußeren Druck wesentlich übersteigender Druck, daß es zu einem Reißen der Brenustabhüllrohre kommen kann.Das Druckgleichgewicht bzw. der Druckausgleich zwischen innen und außen ist dann nicht mehr gegeben.Zur Verhütung solcher Erscheinungen sind daher schon verschiedene Wege vorgeschlagen worden, deren Ziel es ist, den Druck innerhalb der Brennstäbe uach oben hin zu begrenzen.

So wurde z.B. in der vom gleichen Anmelder stammenden deutschen " Patentanmeldung P 19 30 033»5-33 vorgeschlagen, zur Verringerung der sich mit zunehmendem Abbrand der Spaltgase einstellenden Druckerhöhung im Brennstab leere, unter Normaldruck stehende Räume vorzusehen, deren Wände gegenüber dem Brennstoffraum druckabhängige Sollbruchstellen enthalten. Durch diese Maßnahmen wird der Druck im Inneren der Brennstäbe bis zum Reißen der ersten Sollbruchstelle ansteigen, dann schlagartig absinken, dann wieder ansteigen, bis die nächste Sollbruchstelle der nächsten Kammer reißt usw. Es tritt also dadurch eine zyklische Hüllrohrbeanspruchung auf, die unter Umständen die Gefahr einer Hüllrohrbeschädigung mit sich bringt. Dies gilt insbesondere für Zirkaloy als Hüllrohrmaterial, das wegen seines verhältnis-

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mäßig niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnittes als Hüllrohrmaterial Verwendung findet.

Ein anderer Vorschlag ist in der ebenfalls vom gleichen Anmelder stammenden deutschen Patentanmeldung P 20 07 833.5-33 enthalten. Nach diesem enthält der Kernbrennstab in seinem Inneren am Ende der Kernbrennstoffsäule einen diesen Raum abschließenden Faltenbalg aus elastischem Material wie z.B. rostfreien Stahl, der mit dem anschließenden Endstopfen dicht verbunden ist. Dieser Endstopfen ist durchbohrt, so daß der Innenraum des Faltenbalges stets den Umgebungsdruck aufweist. Bei steigendem Spaltgasdruck im Inneren des Brennatabes wirkt dann der Faltenbalg als Druckausgleichsglied und ermöglicht so eine stufenlose Vergrößerung des Htillrohrinnenraumes. Diese Konstruktion bringt wohl einen idealen Druckverlauf bzw. Druckausgleich mit sich, jedoch besteht die Gefahr, daß bei einer Beschädigung des Faltenbalges das Kühlmittel in das Innere des Brennstabes gelangen kann und dort unter Umständen zu Korrosionsschäden führt, ganz abgesehen davon, daß dann auch Spaltgase in das Kühlmittel eindringen können.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Lösung für dieses Problem der Verhinderung zu großer Innendruckwerte zu finden, die nicht mit den möglichen Nachteilen der vorgenannten Vorschläge behaftet ist. Erfindungsgemaß enthält der Spaltgassammelraum wenigstens eine abgeschlossene, mit einem wesentlich niedrigeren Innendruck versehene Kammer, deren Wandung wenigstens teilweise aus einem die Diffusion von Spaltgasen erlaubenden Material besteht. Diese Kammern können aus einzelnen Kapseln bestehen, die nach Einbringung der Kernbrennstoffüllung in das anschließend zu verschließende Hüllrohr eingesetzt werden. Sie können jedoch auch durch in das Hüllrohr einzusetzende Querwände gebildet werden. In jedem Fall sind Teile dieser Räume aus einem Material aufgebaut, das auf dem Diffusionsweg vom Spaltgas durchdrungen werden kann.

In den Figuren 1 und 2, die jeweils einen Längsschnitt durch

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einen Brennstab zeigen, sind zwei Ausführungsbeispiele für die Verwirklichung des dieser Erfindung zugrunde liegenden Prinzips dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 zeigt einen Kernbrennstab 10,dessen Hüllrohr 26 an beiden Enden durch die z.B. eingeschweißten Endstopfen 18 und 28 hermetisch verschlossen ist. Der Brennstab 10 hat eine brennstoffreie Zone oder einen Gassammeiraum 12, der normalerweise oberhalb der Brennstofftablettensäule 24 angeordnet ist. Das Hüllrohr 12 besteht beispielsweise aus einer Zirkonlegierung. Im Gassammelraum 12 befindet sich wenigstens eine Kammer 14. Sie hat die Gestalt einer geschlossenen Kapsel. Mit 16 ist jener Teil der Kapselwand bezeichnet, der eine Diffusion der Spaltgase ermöglicht. Eine Feder 20 sorgt für die Niederhaltung der Tabletten, so daß alle Teile innerhalb des Brennstabes in ihrer gegenseitigen räumlichen Zuordnung festgehalten sind, jedoch eine Längenausdehnung infolge der Betriebserwärmung nicht behindert wird.

Wie bereits erwähnt, ermöglicht die durchlässige Membrane 16 ein Eindringen der während des Brennstoffäbbrandes gebildeten und in den Spaltgassammelraum 12 eintretenden Spaltgase, vornehmlich Krypton und Xenon, in die Kammer 14 in einer Menge, die etwa jener der vom Brennstoff freiwerdenden Gase entspricht. Es ist wünschenswert, daß auch das Gas für die Herstellung des Vorinnendruckes in einem ähnlich vergleichbaren Maßstab durch die Membrane 1,6 diffundiert. Auf diese Weise werden die Partialdrücke von Krypton und Xenon sowie des Vorinnendruckgases auf jeder Seite der Membrane 16 ausgeglichen, so daß sich hierdurch bis zum Ende der Brennstablebenszeit eine Druckregelung ergibt. Beide Spaltgase Krypton und Xenon haben ähnliche Diffusionskoeffizienten in Feststoffen und diffundieren daher durch die Membrane 16 in vergleichbaren Raten. Jedoch wird keines dieser Gase als Druckgas für den Vorinnendruck verwendet, weil beide einen hohen Absorptionsquerschnitt haben

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und deshalb die Reaktivität des Reaktors nachteilig beeinflussen wurden. Pur dieses Beispiel wurde als Vorinnendruckgas Argon gewählt, da dieses in ausreichendem Maße und verhältnismäßig billig zu haben ist und eine Diffusionsrate besitzt, die bei normalen Reaktorbetriebstemperaturen etwa jener von Krypton und Xenon entspricht. Im Vergleich zu dem vornehmlich als Druckgas verwendeten Helium hat Argon eine thermische Leitfähigkeit, die etwa um eine Größenordnung geringer ist. Der Ersatz von Helium durch Argon wird deshalb zu einer leichten Erhöhung der Temperatur während der Bestrahlungezeit führen.Es wird angenommen, daß bei einer spezifischen Wärmeleistung des Brennstabes von 15 kW je 30 cm Länge die Zentraltemperatur im Kernbrennstoff etwa um 40 bis 6O⁰C steigen wird. Ein derartiger Temperaturanstieg führt zu einem Ansteigen der Spaltgasmenge und macht das Erfordernis der Innendruckregelung noch bedeutsamer. Durch geeignete Konstruktionsmaßnahmen jedoch wie z.B. durch eine entsprechend große Kammer 14 verliert diese Erscheinung ihren nachteiligen Charakter, so daß diese Erfindung auch in Verbindung mit Argon als Druckgas bedeutsame Vorteile bietet.

Die Auswahl einer geeigneten Membrane 16 hängt vom Verständnis und der Kenntnis d<-:■ Diffusion von Edelgasen in durchlässigen Peststoffen ab. Das Durchdringen eines Gases durch einen Abschnitt eines homogenen Peststoffes erfolgt in mehreren Stufen:

a) Absorption des Gases an der Zwischenschicht Gas/Peststoff,

b) Dissoziation des Gases (wenn es mehratomig ist) und Lösung im Brennstoff,

c) Volumendiffusion des Gases durch den Peststoff und

d) die Umkehrung der Vorgänge a und b an der zweiten Oberfläche.

Von diesen Stufen ist die Volumendiffusion bekannterweise die langsamste und bestimmt daher die Diffusionsrate. Die Größe der Diffusion ist abhängig von der chemischen Natur des Gases und des Feststoffes sowie von den Atomdimensionen des Gases.ie

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Verhältnis zu den Atomabständen innerhalb des Feststoffes. Für die meisten Feststoffe ist die Volumendiffusionsrate von Edelgasen extrem niedrig in Anbetracht der kleinen Atomabstände im Kristallgitter. Für gewisse Feststoffe wie z.B. Cäsiumchlorid CsCl, Gläser wie z.B. Borsilikatglas, klares geschmolzenes Siliziumdioxyd (SiQp) Natronkalkglas und andere keramische Körper ist die Diffusionsrate jedoch hoch in Anbetracht des offenen Gitters der Glasphase. Solche Materialien sind daher bevorzugt als Membranmaterial geeignet.

Die Diffusionsrate hängt auch vom Druckgradienten über dieser Membrane 16 ab, so daß dieser Effekt für die Konstruktion berücksichtigt werden muß, zumal der Druckunterschied über dieser Membrane und damit die Diffusio.nsgesoiiv?indigkeit mit zunehmendem Abbrand abnehmen.

Geschmolzenes Siliziumdioxyd hat zusätzlich zu seiner Durchlässigkeit für Edelgase eine ausgezeichnete thermische Beständigkeit unter 1000 ⁰C, es ist fest und chemisch stabil. Unter Bestrahlung durch schnelle Neutronen wächst zwar die Dichte und die Sprödigkeit dieses ?£aterials, dies ist jedoch nicht sehr bedeutsam bei Temperaturen über 400 C wo Strahlungsschäden im Glas zurückzugehen pflegen. Wenn die Membrane beträchtliche Strahlungsversprödung zeigt, wird dadurch sogar eine bessere Druckregelung erreicht. Sollte nämlich z.B. die Membrane nach einem hohen Abbrand wie z.B. 20 000 bis 30 000 MWD/MTU brechen, so wird das gesamte Kammervolumen sofort für die Aufnahme der Spaltgase verfügbar.

Selbstverständlich sind die genannten Werkstoffe nur beispielsweise genannt und begrenzen die vorliegende Erfindung nicht. Viele mögliche Werkstoffe für eine derartige Anwendung existieren auf dem Markt, Herstellungstechniken fürMolekularsiebe aus vielen Substanzen sind wohl bekannt. Außerdem gibt es verschiedene Verbindung stechniken für die Membrane 16 mit dem Behälter 14. Eine solche besteht z.B. darin, den Behälter mit

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der Membrane zu verschmelzen.

Die Figur 2 zeigt eine andere Ausbildungsform dieser Erfindung. Dort ist eine evakuierte Kammer 32 dargestellt, die durch Abtrennung des oberen Teils des Spaltgassammelraumes mittels einer Zwischenwand 34 hergestellt ist. Die Membrane 36 bildet einenTeil dieser Wand 34 und ermöglicht es dem Gae aus dem Sammelraum in die noch leere Kammer 40 einzudiffundie ren. Die Seitenteile dieser Kammer werden vom Hüllrohr 18 gebildet sowie vom Endstopfen 42. In allen übrigen Teilen entspricht dieser Brennstab 30 jenem der Figur 1.

Selbstverständlich kann der Spaltgassammelraum 40 auch in mehr als eine Kammer 32 durch zusätzliche Zwischenwände 34 unterteilt werden. So kann auch die Größe dieser einzelnen Kammern verschieden sein. Weiterhin kann es für die Beherrschung größerer Drücke zweckmäßig sein Membranen mit unterschiedlicher Durchlässigkeit in den einzelnen Kammern vorzusehen, was selbstverständlich für alle möglichen Ausgestaltungen dieser Erfindung gilt.

5 Patentansprüche
2 Figuren

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ORIGINAL INSPECTED

Claims (4)

1. Patentansprüche

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   f1./Kernreaktorbrennstab, bestehend aus einem mit Endstopfen verschlossenen dünnwandigen Hüllrohr sowie, unter Belassung eines Spaltgassammelraumes an einem Ende des Stabes, einer Füllung aus Kernbrennstoff, vorzugsweise in Tablettenform, die bereits vor dem Einsatz im Reaktorkern unter einem erhöhten Innendruck - Vorinnendruck steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltgassammelraum wenigstens eine abgeschlossene, mit einem wesentlich niedrigeren Innendruck versehene, Kammer enthält, deren Wandung wenigstens teilweise aus einem die Diffusion von ^ Spaltgasen erlaubenden Material besteht.
2. 2. Kernreaktorbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer als eine dem Innendurchmesser des Hüllrohres angepaßte, nach der Kernbrennstoffüllung einzusetzende, leere Kapsel ausgebildet ist.
3. 3. Kernreaktorbrennstab nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer durch in das Hüllrohr einzusetzende, mit diesem zu verbindende, das diffundierbare Material enthaltende, Querwände gebildet ist.
4. 4. Kernreaktorbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Diffusion der Spaltgase, vornehmlich Xenon und Krypton, erlaubende Wand aus einem Material besteht, das

   W aus der Gruppe Borsilikatglas, klares geschmolzenes Siliziumdioxyd, Natriumglas, Cäsiumchlorid und Quarz ausgewählt ist.

   5· Kernreaktorbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas zur Aufbringung des Vorinnendruckes eine ähnliche Diffusionsrate wie die Spaltgase in Bezug auf die Kammerwand besitzt und vorzugsweise aus Argon besteht.

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