DE2309306A1

DE2309306A1 - Brennstoffelement fuer hochtemperaturleistungskernreaktoren

Info

Publication number: DE2309306A1
Application number: DE19732309306
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Phys D Schloesser
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH; Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1973-02-24
Filing date: 1973-02-24
Publication date: 1974-09-26
Also published as: GB1448504A; DE2309306C3; DE2309306B2; JPS5024696A

Description

Mannheim, den 5· Februar 1973

HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU Gesellschaft mit beschränkter Haftung

5 K ö 1 η 1 Zeppelinstraße 15

Brennstoffelement für Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren, das aus Spaltstoff, Brutstoff und Moderator besteht und bei dem der Spaltstoff und der Brutstoff auf der Wandung eines im Inneren eines Graphitkörpers befindlichen Hohlraumes angeordnet sind. Der übrige Teil des Hohlraumes ist dabei mit Graphit ausgefüllt.

In der deutschen Patentschrift 1 Ο98 111 ist bereits ein kugelförmiges Brennstoffelement beschrieben, das in einer Grundmasse aus einer Moderatorsubstanz, z.B. aus Graphit, in homogener

409839/0384 ■ - 2 -

-Z-

Mischung Spaltstoff- und Brutstoff-Teilchen enthält. Bei dem Betrieb solcher Brennstoffelemente dringen, sofern die Teilchengröße der Spaltstoffsubstanzen im Mittel kleiner ist als die Reichweite der Zerfallsprodukte, letztere in die Grundmasse der Moderatorsubstanz ein und reichern sich dort an. Dadurch wird diese Grundmasse in ihren mechanischen Eigenschaften stark geschädigt, so daß bei längerem Betrieb der Zusammenhalt und die Formbeständigkeit der Brennstoffelemente zu wünschen übrig läßt. Diese Erscheinung kann zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Betriebssicherheit der mit solchen Brennstoffelementen ausgestatteten Reaktoren führen.

Es ist daher in der deutschen Patentschrift 1 037 605 vorgeschlagen worden, bei derartigen kugelförmigen Brennstoffelementen das Spaltmaterial im Zentrum einer Kugel anzuordnen, die aus einer Moderatormasse, z.B. Graphit, besteht, und die Kugel mit einer metallischen Umhüllung zu versehen. Diese Brennstoffelemente besitzen jedoch neben Vorteilen gegenüber den in der deutschen Patentschrift 1 098 111 beschriebenen Elementen auch Nachteile. Es ist bekannt, daß bei Verwendung von nichtmetallischem Moderatormaterial,insbesondere von Graphit, während der Betriebszeit des Reaktors unter Einwirkung der Neutronen eine Änderung der Struktur seines Materials und damit eine Änderung der mechanischen Eigenschaften eintritt, die von einer Änderung der Dimensionen der Reaktormaterialien begleitet ist. Um die Folgen dieser Erscheinung so gering wie möglich zu halten, muß der Moderator von Zeit zu Zeit ausgeheizt werden. Wird der Reaktor mit kugelförmigen Brennstoffelementen betrieben, die von einer metallischen Umhüllung umgeben sind, wobei diese wegen eines guten Wärmeübergangs dicht auf den Graphitkörper aufgebracht ist, so ergibt sich bei einer Dimensionsänderung des Graphits eine mechanische Beanspruchung der Umhüllung, die zu einer Zerstörung derselben führen kann. Ein sicherer Reaktorbetrieb ist mit derartigen Brennstoffelementen für einen längeren Zeitraum nicht gewährleistet. Überdies sind Brennstoffelemente mit einer Metallumhüllung für Hochtemperatur-Kernreaktoren nicht geeignet,

über 1000°C ein

409839/0384

da bei Temperaturen von über 1000 C eine Umhüllung aus Metall

-V

im Dauerbetrieb praktisch nicht mehr beständig ist.

In der französischen Patentschrift 1 318 135 ist zwar ein Brennstoffelement für Hochtemperatur-Kernreaktoren beschrieben, das an Stelle einer metallischen Umhüllung eine solche aus graphitischem Kohlenstoff aufweist, die mehrere durch Imprägnierung verdichtete Zonen enthält. Es hat sich jedoch erwiesen, daß der Verdichtungsprozeß nicht nur technisch schwierig ist, sondern auch einen außerordentlichen wirtschaftlichen Aufwand erfordert.

Aus der deutschen Patentschrift 1 127 50*+ sind ebenfalls Brennstoffelemente für Hochtemperatur-Leistungsreaktoren bekannt, bei denen der Spaltstoff und gegebenenfalls der Brutstoff in zylindrischen Ausnehmungen eines kugelförmigen Gerüstkörpers untergebracht sind, der aus einem nichtmetallischen Moderatorstoff besteht und nicht mit einer metallischen Umhüllung umgeben ist. Den Vorteilen eines solchen Brennstoffelementes, nämlich der guten thermischen Leitfähigkeit und der befriedigenden mechanischen Festigkeit, steht der entscheidende Nachteil gegenüber, daß in dem Brennstoff selbst sehr hohe lokale Temperaturen auftreten.

Dieser Nachteil wird bei einigen weiteren bekannten Brennstoffelementen dadurch beseitigt, daß der Spaltstoff nicht im Zentrum eines aus Moderatorsubstanz bestehenden Körpers angeordnet' ist, sondern zwischen einem im Innern des Körpers befindlichen Moderatorkern und einem äußeren Moderatormatel; er füllt also einen ringspaltartigen Hohlraum aus (s. die deutsche Patentschrift 1 097 582 und die deutsche Auslegeschrift 1 202 910). Bei einer weiteren Ausführung (deutsche Auslegeschrift 1 156 901) besitzt das Brennstoffelement ebenfalls einen Kern aus Moderatorsubstanz, so daß das Innere des Brennstoffelementes frei von Spaltstoff bleibt; dieser ist in oder zwischen den Schichten einer mehrschichtigen Umhüllung eingelagert. Hierbei muß aber wieder der bereits erwähnte Nachteil, den eine Umhüllung mit sich bringt, in Kauf genommen werden.

A09839/038A

Die vorliegende Erfindung geht von dem in der deutschen Auslegeschrift 1 202 910 beschriebenen Brennstoffelement aus, das gegenüber den beiden anderen Brennstoffelementen mit Moderatorkern die Besonderheit zeigt, daß in dem zwischen Moderatorkern und Moderatormantel befindlichen Hohlraum nicht nur Spalt.·: toff- sondern auch Brutstoff partikel angeordnet sind. Sie bilden mit den Spaltstoffpartikeln ein Gemisch, und dieses ist in einer relativ dünnen Schicht auf die innere Wandung eines hohlen Graphitkörpers aufgebracht, wobei der restliche Hohlraum mit Graphit ausgefüllt ist. Der Vorteil dieser Ausbildung liegt in der besseren Wärmeabfuhr infolge des kurzen Weges von der Wärmequelle zur Oberfläche des Graphitkörpers, wodurch keine hohen lokalen Temperaturen in dem Spaltstoff auftreten können. In dem der Graphitfüllung benachbarten Teil der Spaltstoffschicht ist nur mit einer geringen Temperaturerhöhung zu rechnen, die der Schichtdicke proportional ist. Das wirkt sich sehr günstig auf den Reaktorbetrieb aus, da die Diffusion der Spaltprodukte durch den Graphitkörper stark von der Temperatur abhängt.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die genannten guten Eigenschaften eines derartigen, aus Spaltstoff, Brutstoff und Moderator aufgebauten Brennstoffelementes zu verbessern und seine Leistung wesentlich zu steigern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spaltstoff und Brutstoff im wesentlichen in getrennten Schichten angeordnet sind, wobei der Spaltstoff in einer der inneren Wandung des Graphitkörpers am nächsten liegenden Schicht aufgebracht ist und der Brutstoff den der Graphitmasse benachbarten Teil des Hohlraumes einnimmt.

Das Kennzeichnende der vorliegenden Erfindung besteht also darin, daß der Spaltstoff möglichst nahe an der gekühlten Oberfläche des Graphitkörpers untergebracht ist, während der Brutstoff weiter im Inneren des Brennstoffelementes angeordnet ist. Bei Beginn des Reaktorbetriebs wird die gesamte Leistung des Brennstoffelementes von der Spaltstoffschicht aufgebracht, wobei sich

409839/038/;

wegen des kurzen Weges von der Wärmequelle bis zu der Oberfläche des Graphitkörpers eine gute Wärmeabfuhr einstellt. Die Wärme produzierende Schicht weist nur eine sehr geringe Dicke auf, und infolgedessen kann der Temperaturanstieg in der Schicht - in Richtung auf die sich anschließende Brutstoffschicht sehr niedrig gehalten werden, so daß keine lokalen Temperaturüberhöhungen auftreten können. Mit fortlaufendem Reaktorbetrieb findet die Wärmeproduktion in der Schicht statt, die ursprünglich Brutstoff enthielt, denn der Brutstoff hat sich in der Zwischenzeit unter Einwirkung der Neutronenstrahlung in Brennstoff verwandelt. Der Ort der Wärmeerzeugung verlagert sich dabei immer weiter ins Innere des Brennstoffelementes; die Dicke der wärmeerzeugenden Schicht bleibt jedoch annähernd konstant.

Auf Grund von Berechnungen läßt sich nachweisen, daß bei einem Brennstoffelement gemäß der deutschen Auslegeschrift 1 202 910, das in homogener Mischung 1 g Uran 235 und 10 g Thorium 232 enthält, zwischen der Temperatur der Außenwand des Brennstoffelementes und der maximalen Brennstofftemperatur eine Differenz von 335 C besteht. Bei dem Brennstoffelement gemäß der vorliegenden Erfindung tritt jedoch bei Verwendung der gleichen Uran- und Thoriummengen nur eine Temperaturdifferenz von I83 C auf. Dementsprechend kann die maximale Leistung des erfindungsgemäßen Brennstoffelementes fast auf das Doppelte der Leistung des Brennstoffelementes gemäß der deutschen Auslegeschrift 1 202 gesteigert werden.

Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffelement möglich,, zur Erzielung der gleichen hohen Leistung größere Einsätze von Schwermetall zu verwenden, z.B. 15 g Thorium 232 und 1 g Uran 235, ohne daß die Temperaturen auf einen höheren Wert steigen. Die Er-.· findung macht sich also den Sachverhalt zunutze, daß im Gleichgewicht einem Gramm Uran 235 leistungsmäßig etwa 30 bis k0 g Thorium 232 entsprechen. Bei einem Einsatz von 15g Thorium 232 und 1 g Uran 235 pro Brennstoffelement wird demzufolge die Leistung des Brennstoffelementes gegen das Ende des Abbrandes hin auf die Hälfte bis ein Drittel absinken.

409839/0384

Vorteilhaft sind der Brennstoff und der Spaltstoff in Form von beschichteten Teilchen in den Hohlraum des Brennstoffelementes einge-

i
lagert, wobei auf die innere Wandung des Graphitkörpers eine Lage

Spaltstoff-Teilchen aufgebracht ist, an die sich nach innen mehrere

- etwa 2 oder 3 -\ Lagen Brutstoff teilchen anschließen. Als Spal-tstoff wird Urankarbid und als Brutstoff Thoriumkarbid verwendet. Durch die getrennte Anordnung des Spaltstoffes und des Brutstoffes ergeben sich weitere Vorteile bei der Fabrikation der beschichteten Teilchen, da eine gesonderte Verarbeitung des Urankarbids und des Thoriumkabids vorgenommen werden kann. Ferner kann es von Vorteil sein, in die Lage der Spaltstoff-Teilchen eine geringe Anzahl von Brutstoff-Teilchen einzubringen, um den Brennstoff etwas zu "verdünnen". Bei geeigneter Wahl der Thorium-232-

- und der Uran-235-Einsätze und entsprechender Anordnung in dem Hohlraum des Graphitkörpers läßt sich sogar erreichen, daß die Temperaturen in dem Brennstoffelement während des ganzen Abbrandes nahezu konstant sind, wenn ein konstanter Neutronenfluß und eine gleichbleibende Gastemperatur vorausgesetzt werden.

Zweckmäßig ist der im Innern des Graphitkörpers befindliche Hohlraum in seiner Geometrie der Form· des Graphitkörpers angepaßt. Beide können z.B. kugelförmig ausgebildet sein, wobei der Hohlraum konzentrisch in dem Graphitkörper angeordnet ist, oder sie können die Form eines Stabes aufweisen, der an seinen beiden Enden zum Abschließen des Hohlraums mit je einem Graphitstopfen versehen ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffelementes schematisch dargestellt. Dabei wurde auf Einzelheiten, die nicht den Gegenstand der Erfindung betreffen, wie z.B. die Einbringung des Spalt- und Brutstoffes sowie der Graphitfüllung in den hohlen Graphitkörper, verzichtet. Ein kugelförmiger Graphitkörper 1 weist einen ebenfalls kugelförmigen, konzentrischen Hohlraum auf, auf dessen Wandung 2 unter Verwendung eines geeigneten Bindemittels eine Lage Spaltstoff 3 aufgebracht ist. Der Spaltstoff liegt vorzugsweise in Form von beschichteten Teilchen aus Urankarbid vor. Anschließend an den Spaltstoff 3 sind in konzentrischer Form mehrere Lagen Brutstoff k

409839/0384

angeordnet, der ebenfalls mit einem geeigneten Bindemittel vermischt ist. Als Brutstoff können z.B. beschichtete Thoriumkarbidteilchen verwendet werden. Der restliche Hohlraum ist mit einer Graphitmässe 5 ausgefüllt, die vorzugsweise in Pulverform vorliegt. Das Einbringen der Graphitinasse 5» des Brutstoffes k und des Spaltstoffes 3 in den Hohlraum des Graphitkörpers 1 erfolgt durch eine Öffnung in dem Graphitkörper 1, die später mit einem Graphitstopfen 6 verschlossen wird.

Pro Brennstoffelement sind 1 g Uran 235 und 15 g Thorium 232 vorgesehen. Zu Beginn des Reaktorbetriebes wird die gesamte Leistung von der Spaltstoffschicht 3 aufgebracht; mit fortschreitendem Abbrand geht dann die Energieproduktion auf die inzwischen durch Neutronenbeschuß in Brennstoff umgewandelte Brutstoffschicht über. Am Ende des Abbrandes wird schließlich nur noch von diesen inneren Lagen Wärme erzeugt, wobei die Leistung des Brennstoffelementes auf die Hälfte bis ein Drittel absinkt. Infolge der relativ geringen Temperaturdifferenz, die bei der erfindungsgemäßen Anordnung von Spaltstoff und Brutstoff zwischen der Außenwand des Graphitkörpers 1 und der maximalen Brennstofftemperatur besteht, kann die Leistung des Brennstoffelementes bedeutend gesteigert werden, ohne daß lokale Temperaturerhöhungen zu befürchten sind.

409839/0384 " ⁸ "

Claims

-O-

-δ-

Patentansprüche

( 1./Brennstoffelement für Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren aus Spaltstoff, Brutstoff und Moderator, be-i. dem der Spaltstoff und der Brutstoff auf der Wandung eines im Innern eines Graphitkörpers befindlichen Hohlraumes angeordnet sind und der restliche Hohlraum mit einer .Graphitmasse ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff (3) und der Brutstoff (4) im wesentlichen in getrennten Schichten angeordnet sind, wobei der Spaltstoff (3) in einer der inneren Wandung (2) des Graphitkörpers (i) am nächsten liegenden Schicht aufgebracht ist und der Brutstoff (k) den der Graphitmasse (5) benachbarten Teil des Hohlraumes einnimmt.
2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff (3) und der Brutstoff (U) in Form von beschichteten Teilchen vorliegen, wobei auf die innere Wandung (2) des Graphitkörpers (1) eine Lage Spaltstoff-Teilchen aufgebracht ist, an die sich nach innen mehrere Lagen Brutstoff-Teilchen anschließen.

3· Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Lage der Spaltstoff-Teilchen eine geringe Anzahl von Brutstoff-Teilchen gemischt ist.

409839/0384