DE2309306C3 - Brennstoffelement für Hochtemperatur- Leistungskernreaktoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren aus Spaltstoff, Brutstoff und Moderator, bei dem der Spaltstoff und der Brutstoff auf der Wandung eines im Inneren eines Graphitkörpers befindlichen Hohlraumes angeordnet sind und der restliche Hohlraum mit einer Graphitmasse ausgefüllt ist

In der deutschen Patentschrift 10 9« 111 ist bereits ein kugelförmiges Brennstoffelement beschrieben, das in einer Grundmasse aus einer Moderatorsubstanz, z. B. aus Graphit, in homogener 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 beschädigt, 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 aus der deutschen Patentschrift 10 37 605 die Lehre zu entnehmen, 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 10 98 111 beschriebe' nen 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 des Materials und damit eine Änderung der mechanischen Eigenschaften eintritt, die von einer Änderung der Dimensionen der Reaktormaterialien begleitet ist. Um die Polgen 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 Reaktorbereich ist mit derartigen Brennstoffelementen für einen längeren Zeitraum nicht gewährleistet Überdies sind Brennstoffelemente mit einer Metalhimhüllung für Hochtemperatur-Kernreaktoren nicht geeignet, da bei Temperaturen von über 1000⁰C eine Umhüllung aus Metall im Dauerbetrieb

ι 5 praktisch nicht mehr beständig isL

In der französischen Patentschrift 13 18 135 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 11 27 504 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

J5 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 Mederatorsubstanz bestehenden Körpers angeordnet ist, sondern zwischen einem im Inneren des Körpers befindlichen Moderatorkern und einem äußeren Moderatormantel; er füllt also einen ringspaltartigen Hohlraum aus. Solche Brenn-

Stoffelemente sind in der deutschen Patentschrift

10 97 582 sowie in der deutschen Auslegeschrift 12 02 910 beschrieben.

Ein weiteres, in der deutschen Auslegeschrift

11 56 901 dargestelltes Brennstoffelement besitzt ebenso falls 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.

Die vorliegende Erfindung geht von dem in der deutschen Auslegeschrift 1202910 beschriebenen Brennstoffelement aus, das gegenüber den beiden anderen Brennstoffelementen mit Moderatorkern die

μ Besonderheit zeigt, daß in dem zwischen Moderator* kern und Moderatormantel befindlichen Hohlraum nicht nur Spaltstoff-, sondern auch Brutstoffpartikel angeordnet sind. Sie bilden mit den Spaltstoffpartikeln ein Gemisch, und dieses ist in einer relativ dünnen

*s 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 Spaitstoffschicht 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 Spaltprodulcte durch den Graphitkörper stark von der Temperatur abhängt

Der vorliegenjen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten guten Eigenschaften eines derartigen, aus Spaltstoff, Brutstoff und Moderator aufgebauten Brennstoffelementes zu verbessern und seine Leistung wesentlich zu steigern.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennstoffelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spaltstoff und der Brutstoff in je einer eigenen Schicht 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 Reaktorbetriebes wird die gesamte Leistung des Brennstoffelementes von der Spaitstoffschicht erbracht, wobei sich 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

Aufgrund von Berechnungen läßt sich nachweisen, daß bei einem Brennstoffelement gemäß der deutschen Auslegeschrift 12 02 910, 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 183"C auf. Dementsprechend kann die maximale Leistung des erfindungsgemäßen Brennstoffelementes fast auf das Doppelte der Leistung des Brennstoffelementes gemäß der deutschen Auslegeschrift 12 02 910gesteigert werden.

Ferner ist es bei dent Brennstoffelement gemäß der Erfindung möglich, zur Erzielung einer gleich hohen Leistung größere Einsätze von Schwermetall zu verwenden, z. B. 15 g Thorium 232 und I g Uran 235, ohne daß die Temperaturen auf einen höheren Wert steigen. Die Erfindung macht sich dabei den Sachverhalt zunutze, daß im Gleichgewicht einem Gramm Uran 235 leistungsmäßig etwa 30 bis 40 g Thorium 232 entsprechen. Bei einem Einsatz von 15 g 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.

Vorteilhafterweise sind der Spaltstoff und der Brutstoff in Form von beschichteten Teilchen in den Hohlraum des Brennstoffelementes eingelagert, wobei auf die innere Wandung des Graphitkörpers eine Lage

ίο Spaltstoff-Teilchen aufgebracht ist, an die sich nach innen mehrere — etwa 2 oder 3 — Lagen Brutstoffteüchen anschließen. Als Spaltstoff kann Urankarbid und als Brutstoff Thoriumkarbid verwendet werden.

Durch die getrennte Anordnung des Spaltstoffes und

des Brutstoffes ergeben sich auch Vorteile bei der

Fabrikation der beschichteten Teilchen, da eine

gesonderte Verarbeitung des Urankarbids und des

Thoriumkarbids vorgenommen werden kann. Zweckmäßigerweise ist der im Inneren des Graphit-

körpers befindliche Hohlraum in seiner Geometrie der Form des Graphitkörpers angepaßt B«*de 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 Hohlraumes mit je eine«! Graphitstopfen versehen ist

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Brennstoffelementes gemäß der Erfindung schematisch dargestellt Dabei wurde auf Einzelheiten, die nicht den

JO 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 — ebenfalls konzentrisch — mehrere Lagen Brutstoff 4 angeordnet der ebenfalls mit einem geeigneten Bindemittel vermischt ist Als Brutstoff können z. B. beschichtete Thoriumkarbidteilchen verwendet werden. Der restliche Hohlraum ist mit einer Graphitmasse 5 ausgefüllt, die vorzugsweise in

■»5 Pulverform vorliegt Das Einbringen der Graphitmasse 5, des Brutstoffes 4 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 Spaitstoffschicht 3 erbracht; mit fortschreitendem Abbrand geht dann die Energieprcduktion auf die inzwischen durch Neutrons nenbeschluß in Brennstoff umgewandelte Brutstoffschicht 4 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 Bnitstoff 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

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