DE2522503C3 - Kernbrennstoff element, bestehend aus einer mit Brennstofftabletten gefüllten Hülse - Google Patents
Kernbrennstoff element, bestehend aus einer mit Brennstofftabletten gefüllten HülseInfo
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Description
Die Erfindung Detrifft ein Kernbrennstoffelemcnt, bestehend aus einer mit Brennstofftabletten gefüllten,
an beiden Enden verschlossenen Hülse, welche in ihrem Inneren zusätzlich ein zu (nA)-Reaktionen befähigtes
Material, bestehend aus Bor oder einer Borverbindung, enthält, welches mit einer aus mindestens einem
Seltenerdmetall und/oder mindestens einer Verbindung eines Seltenerdmetalls versetzt ist.
Ein Brennelement der genannten Art ist aus der DT-AS 13 00 177 bekannt. Die Brennstofftabletten sind
mit dem zur (π,α)-Reaktion befähigten Material (im
folgenden kurz »Neutronengift«) vollständig ummantelt. Als Brennstoff findet gesintertes UO2, als
Neutronengift Bor oder eine Borverbindung Verwendung. Die Brennstofftabletten sind mit geringem
axialem und radialem Spiel in der stirnseitig verschlossenen Hülse des Brennelementes eingeschlossen. Das
Spiel trägt der Ausdehnung des Brennstoffs während des Betriebes Rechnung. Die Hülse ist mit Heüum von
etwa I bar gefüllt.
Insbesondere beim Einsatz in Siedewasserreaktoren tritt nach einiger Betriebszeit jedoch eine spürbare
Schrumpfung der Brennstofftabletten ein, so daß der Spalt zwischen dem Außenmantel der Brennstofftablet
te und der Innenwand der Hülse des Brennelementes merklich vergrößert wird. Gleichzeitig treten in den
Gasraum zum Helium auch gasförmige Spaltprodukte, vor allem Krypton und Xenon, die eine wesentlich
schlechtere Wärmeleitfähigkeit als Helium aufweisen. Bei 4500C ist die Wärmeleitfähigkeit des Kryptons nur
6,8% und die des Xenons nur 4,1 % der Wärmeleitfähigkeit des Heliums bei gleicher Temperatur. Außerdem
werden noch von den Brennstofftabletten Reste adsorbierter Gase in den Gasraum des verschlossenen
Brennelementes abgegeben, die bei der Fertigung der Brennstofftabletten nicht vollständig desorbiert werden
konnten.
Das Zusammenwirken der genannten Faktoren führt zu einer erheblichen und zunehmenden Verschlechterung
des Wärmeüberganges (»Spaltleitung«) zwischen der Brennstofftablettensäule und der Brennelementhülse.
Dies bewirkt eine Leistungsminderung des Brennelementes und eine Erhöhung der Unfallgefahr durch
ungenügend gekühlte Brennstofftabletten.
Während die aus der DT-AS 13 00177 bekannten
Brennstofftabletten mit dem Neutronengift ummantelt sind, ist das Neutronengift bei den aus der DT-AS
12 66 410 bekannten Brennstofftabletten in diese dispergiert
eingearbeitet. Die aus der DT-AS 12 79 230 bekannten Brennstofftabletten weisen je ein Loch auf.
Die Löcher, mittels deren die Tabletten auf eine sie vollständig ausfüllende Seele aus Neutronengift gefädelt
sind, liegen koaxial zueinander. Bei gestapelter Brennstofftablettensäule bildet dieses Seelenmaterial bei der
zuletzt genannten Ausbildung der Brennstofftabletten eine durch die ganze Säule verlaufende Giftseele. Auch
diese Ausbildungen der Brennstofftablette bzw. der Brennstofftablettensäule vermögen die beschriebenen
ungelösten Probleme nicht zu lösen.
Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kernbrennstoffelement
der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine wirksamere Kühlung der Brennstoffbeschickung
ermöglicht und damit den Sicherheitsgrad des Elementes, dessen Lebensdauer und Leistung verbessert.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Kernbrennstoffelement dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß
das zur (n,a)-Reaktion befähigte Material im
unterer Bereich des Brennelementes angeordnet ist, daß die stirnseitig in der Hülse gestapelten Brennstofftabletten
koaxiale Bohrungen aufweisen, die im Brennelement einen gemeinsamen Zer.tralkanal bilden,
daß dieser Zentralkanal Teil eines Zirkulationsweges im Brennstoffelement für die Spaltgase ist, die durch
Naturumlauf in diesem Zentralkanal aufsteigen, im Spalt
y> zwischen der Hülseninnenwand und der Brennstofftablettensäule
absteigen und über Durchlässe wieder in den Zentralkanal zurückkehren.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem unteren stirnseitigen Abschlußstopfen
ss der Hülse und der untersten Tablette der Brennstofftablettensäule
ein Speicherraum für gasförmige Spaltprodukte ausgebildet ist.
Die Heliumerzeugung durch (n,<x)-Reaktion in der
Brennelementhülse kann durch Einfügen eines schei-
(K) benförmigen, porösen Sinterkörpers zwischen der
oberen Stirnfläche der obersten Tablette der Tablettensäule und der Innenfläche des stirnseitigen Abschlußstopfens
verstärkt werden
Durch den Zwangsumlauf und die damit verbundene
im Sedimentation der schwereren Komponenten des
Füllgases wird im Brennelement der Erfindung auch nach langer Betriebsdauer in der Atmosphäre zwischen
der Tablettensäule und der Hülse (»Ringspaltatmosphä-
re«) eine gegenüber dem Füllzustand fast unverändert hohe Heliumkonzentration aufrechterhalten. Dadurch
wird eine wesentlich verbesserte Wärmeleitung im Spalt bewirkt Dies gewährleistet auch nach langer
Betriebsdauer einen sehr hohen Sicherhortsfaktor. Nach einer Leistungsabgabe von etwa 30 000 MW · alt liegt
die Heliumkonzentration in der Ringspaltatmosphäre im Element der Erfindung etwa um den Faktor 10 höher
als in den bekannten Elementen. Die Wärmeleitung im Spalt wird dadurch gut verdoppelt was wiederum zu ι υ
wesentlich günstigeren Leistungskenndatan führt
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung
näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Brennelement im Axialschnitt und ι s
F i g. 2 eine vergrößerte Teildarstellung des in F i g. 1 gezeigten Elementes.
Das in Fig. 1 gezeigte Brennstoffelement 15 besteht aus einer Hülse 2 (»Hüllrohr«), die am Kopf mit einem
Abschlußstopfen 4 und am Fuß mit einem Abschlußstopfen 5 verschlossen ist Die Stopfen 4 und 5 sind auf
die Hülse mit einer Wolframelektrode unter Inertgas oder vorzugsweise durch Elektronenstrahlschweißen
aufgeschweißt. Das Innere des Brennstoffelementes ist mit stirnseitig übereinanderliegenden, zu einer Säule
gestapelten UCVBrennstofftabletten 16 gefüllt. Die Brennstofftabletten 16 weisen eine Zentralbohrung auf,
die in der Tablettensäule einen durchgehende η Zentralkanal 24 bilden. Die Tablettensäule ruht auf einer
Auflagescheibe 17, die von einer Feder 8 nach aufwärts gedruckt wird. Zwischen der inneren Stirnfläche des
oberen Abschlußstopfens 4 und der dieser Fläche gegenüberliegenden stirnseitigen Oberfläche der obersten
Brennstofftablette der Tablettensäule liegt ein poröser, scheibenförmiger Sinterkörper 20 aus Borcarbid.
Zwischen der Tablettensäule mit der abschließenden Borcarbidscheibe 20 und der Hülse 2 ist ein freier
Zylinderringraum 14 ausgebildet. Dieser Zylinderringraum geht an seinem unteren Rand in einen
zylindrischen Speicherraum 21 über. Dieser Speicherraum 21 ist im Fußbereich der Hülse 2 ausgebildet, und
zwar zwischen der unteren Stirnfläche der die Tablettensäule tragenden Abschlußscheibe 17 und der
oberen Stirnfläche des unteren Abschlußstopfens 5. In diesem Speicherraum 21 liegt die Feder 8, die die
Auflagescheibe 17 gegen den Kopf des Brennstoffelementes drückt.
An der Unterseite der Auflagescheibe 17 (Fig. 2) ist
ein im wesentlichen zylindrisch ausgebildeter Behälter 18 angeordnet, vorzugsweise befestigt. Der Behälter 18
weist im oberen Bereich seines Innenraumes eine aufwärtsgerichtete Düse 22 auf, die in eine koaxial mit
dem Zentralkanal 24 in der Tablettensäule ausgebildete öffnung 23 in der Auflagescheibe 17 eingreift. Zwischen
der Außenwand der Düse 22 und der Innenwand der Bohrung 23 bleibt ein Ringspalt 26 frei. Zwischen der
Oberkante des Behälters 18, die mit der Unterseite der Auflagescheibe 17 verbunden ist, und dem Fuß der Düse
22, die im unteren Teil des Behälters 18 einen Speicherraum abschließt, bleibt ein Ringraum frei, der
einerseits durch Bohrungen 25 im Mantel des Behälters 18 mit dem Speicherraum 21, andererseits über den
Ringspalt 26 mit dem Zentralkanal 24 verbunden ist
Am Boden des Behälters 18 ist das als Neutronengift dienende Borcarbid in Form eines Sinterkörpers 19
angeordnet Die beiden Borcarbidsinterkörper 19 und
20 wiegen ca. 1,5 g-
Bei der Herstellung wird das Brennelement mit Helium von ca. 1 bar gefüllt
Die Betriebstemperatur im Mittelpunkt der UO2-Tabletten
16 beträgt ca. 20000C. Die Manteltemperatur
der Tabletten im Bereich der Hülse 2 beträgt ca. 500 bis 6000C. Diese Temperaturdifferenz führt dazu, daß das
Gas durch den Zentralkanal 24 in der Brennstofftablettensäule aufsteigt, durch den porösen Borcarbidsinterkörper
20 hindurchtritt im Zylinderringraum 14 absinkt und schließlich durch die Bohrungen 25 und den
Ringspalt 26 wieder in den Zentralkanai 24 gelangt Durch Neutronenabsorption im Borcarbid 19 zusätzlich
gebildetes Helium sammelt sich zunächst im Behälter 18 an und tritt dann durch die Düse 22 hindurch ebenfalls
mit aufwärts gerichteter Strömung in den Zentralkanal. 24 ein. Gleicherweise wird im porösen Borcarbidsinterkörper
20 gebildetes Helium mit in den Zwangsumlauf der Heliumatmosphäre im Brennelement einbezogen.
Die von den UO2-Tabletten 16 als Spaltprodukte abgegebenen Gase Krypton und Xenon sammeln sich
dabei allmählich und zunehmend im Gasspeicherraum
21 am Fuß des Brennelementes an, und zwar trotz und während der Zirkulation. Vielmehr wird gerade durch
die Zirkulation die Trennung der Gase gefördert. Dies führt dazu, daß auf diese Weise auch nach langen
Betriebszeiten des Elementes im Ringraum 14 die gewünschte hohe Heliumkonzentration aufrechterhalten
werden kann. Dadurch wird jedoch wiederum die Kühlung der Brennstofftableuen wesentlich verbessert.
Gegenüber den vergleichbaren Brennelementen nach dem Stand der Technik kann im Brennelement der
Erfindung die Oberflächentemperatur der Brennstofftablette
um 1800C und die Innentemperatur der Tablette
um ca. 2000C niedriger gehalten werden, und zwar auch noch nach langer Betriebsdauer. Dies führt zu einer
wesentlichen Erhöhung der Betriebssicherheit des Brennstoffelementes.
Die während des Reaktorbetriebes im Brennstoffelement erzeugte Heliummenge kann durch Zugabe
geringer Mengen mindestens eines Seltenerdmetalls und/oder mindestens einer Verbindung eines Seltenerdmetalls
genau eingestellt werden. Als solche Steuersubstanzen werden vorzugsweise Dysprosium, Gadolinium
oder Europium verwendet. Diese Steuersubstanzen dienen im wesentlichen der Steuerung im zeitlichen
Verlauf und der Feinsteuerung der He'iumproduktion. Eine Grobeinstellung der Heliumproduktion wird
selbstverständlich durch die Bemessung der Menge des in das Brennstoffelement gegebenen Borcarbids bestimmt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Kernbrennstoffelement, bestehend aus einer mit Brennstofftabletten gefüllten, an beiden Enden
verschlossenen Hülse, welche in ihrem Inneren zusätzlich ein zu (fl,«)-Reaktionen befähigtes Material,
bestehend aus Bor oder einer Borverbindung, enthält, welches mit einer aus mindestens einem
Seltenerdmetall und/oder mindestens einer Verbindung eines Seltenerdmetalls versetzt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das zur (/ia)-Reaktion
befähigte Material (20) im unteren Bereich des Brennelementes (15) angeordnet ist, daß die
stirnseitig in der Hülse (2) gestapelten Brennstofftabletten (16) koaxiale Bohrungen aufweisen, die im
Brennelement einen gemeinsamen Zentralkanal (24) bilden, daß dieser Zentralkanal (24) Tail eines
Zirkulationsweges im Brennstoffelement für die Spaltgase ist, die durch Naturumlauf in diesem
Zentralkanal aufsteigen, im Spalt zwischen der Hülseninnenwand und der Brennstofftablettensäule
absteigen und über Durchlässe (25) wieder in den Zentralkanal (24) zurückkehren.
2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem unteren
stirnseitigen Abschlußstopfen (5) der Hülse (2) und der untersten Tablette der Brennstofftablettensäule
ein Speicherraum (21) für gasförmige Spaltprodukte ausgebildet ist.
3. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Verstärkung der Heliumerzeugung zwischen der Innenfläche des oberen stirnseitigen Abschlußstopfens
(4) und der obersten Brennstofftablette ein scheibenförmiger, poröser Sinterkörper (20) aus
dem zur (π,λ)-Reaktion befähigten Material eingefügt
ist.
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