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WO2010086431A1 - Brennelement mit spalt- und brutstoff sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Brennelement mit spalt- und brutstoff sowie verfahren zu dessen herstellung Download PDF

Info

Publication number
WO2010086431A1
WO2010086431A1 PCT/EP2010/051136 EP2010051136W WO2010086431A1 WO 2010086431 A1 WO2010086431 A1 WO 2010086431A1 EP 2010051136 W EP2010051136 W EP 2010051136W WO 2010086431 A1 WO2010086431 A1 WO 2010086431A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel
core
particles
uranium
coated
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/051136
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Milan Hrovat
Richard Seemann
Karl-Heinz Grosse
Original Assignee
Ald Vacuum Technologies Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ald Vacuum Technologies Gmbh filed Critical Ald Vacuum Technologies Gmbh
Publication of WO2010086431A1 publication Critical patent/WO2010086431A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/42—Selection of substances for use as reactor fuel
    • G21C3/58—Solid reactor fuel Pellets made of fissile material
    • G21C3/62—Ceramic fuel
    • G21C3/626—Coated fuel particles
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02—Fuel elements
    • G21C3/28—Fuel elements with fissile or breeder material in solid form within a non-active casing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a fuel assembly (BE) comprising a fuel and a breeding material, and a method for its production.
  • BE fuel assembly
  • the present invention provides fuel assemblies that are characterized by having a high residence time in the reactor.
  • the fuel assemblies of the present invention preferably have a diameter of about 60 mm. They preferably contain a graphite matrix as the main component. Furthermore, they have a core, which preferably has a diameter of about 48 mm.
  • the broth-containing core preferably contains thorium as a breeding substance in coated particles and is enclosed by a preferably 3 mm-thick gap-containing layer.
  • the fissile is preferably also present in coated particles.
  • the fuel is preferably selected from uranium, preferably UO 2 , or fissile plutonium isotopes.
  • the fuel assembly further includes an outer shell.
  • the outer shell of preferably 3 mm thickness is fuel-free and preferably comprises the graphite matrix and may additionally contain silicon carbide.
  • the brittle-containing core and the nip-containing layer and the outer shell are preferably seamlessly connected to each other by pressing and thus form a unit.
  • the core of the fuel element according to the invention preferably contains about 31 g of thorium and about 1.7 g of uranium as (U 1 Th) O 2 coated particles and the fissile layer contains 4.6 g of uranium as UO 2 particles.
  • the uranium in the core and in the shell is preferably enriched to about 17% of U-235. To maintain the negative temperature coefficient, preferably about 27% of the U-235 is shifted from the fissile layer into the core.
  • the core diameter of the coated UO 2 and (U, Th) O 2 particles is preferably about 500 ⁇ m.
  • the essential feature of the proposed fuel is the separate arrangement of the breeding substance in the core and the fissile in the
  • uranium-233 from thorium and the formation of fissile plutonium isotopes from uranium-238.
  • the uranium converted from uranium to uranium-233 is a valuable fissile and is characterized by high ⁇ values. With a 2.21 ⁇ value for uranium-233, it is significantly higher than the ⁇ value of uranium-235 of 1.95.
  • the manufacturing method according to the invention preferably provides the step of producing a graphite powder, which serves to construct the graphite matrix.
  • the graphite press powder preferably has approximately the following composition: 64 percent by weight natural graphite, 16 percent by weight graphitized petroleum coke, 20 percent by weight phenol formaldehyde resin.
  • the phenol-formaldehyde resin is preferably characterized by the condensing agent HCl, a molecular weight of about 690, a softening point of about 101 0 C, a pH of about 6, an acid number of about 7.5, free phenol of about 0.12 % By weight, coke yield of about 50%, a solubility in methanol of about 99.97% by weight, an ash content of about 160 ppm and / or a boron equivalent from the impurities of the ash of ⁇ 1 ppm.
  • the condensing agent HCl a molecular weight of about 690, a softening point of about 101 0 C, a pH of about 6, an acid number of about 7.5, free phenol of about 0.12 %
  • coke yield of about 50% a solubility in methanol of about 99.97% by weight
  • an ash content of about 160 ppm and / or a boron equivalent from the impurities of the ash of
  • the resin is preferably subjected to a steam distillation after the condensation.
  • the natural and electrographic powders are homogenized in a weight ratio of preferably about 4: 1 dry in a mixer.
  • the phenolic resin is dissolved in methanol.
  • the weight ratio of resin to methanol is preferably about 1.25: 2.3.
  • the graphite powder mixture and the resin dissolved in the methanol are preferably transferred to a kneader.
  • the methanol can be replaced by denatured ethanol.
  • the kneaded material is preferably pressed out by extrusion on a belt dryer and dried at about 105 0 C.
  • the evaporated methanol (ethanol) is preferably recycled.
  • the kneaded material is preferably broken with a hammer mill (sieve adjustment about 1 mm), then homogenized and stored as needed.
  • the method comprises the addition of SiÜ 2 to the graphite press powder.
  • This oxide is later converted into carbide when coked.
  • the content of the kneaded SiO 2 powder is preferably about 83.4% by weight based on the binder resin. This corresponds to a volume fraction in the 3 mm thick shell of 6.8%.
  • the manufacturing method of the present invention further preferably provides the step of producing coated particles.
  • the fuel and / or the breeding substance are present in the form of such coated particles within the fuel element.
  • a coated particle always has a core, which is provided with a coating.
  • the core may preferably be prepared by the gel precipitation method by dripping solutions of the substances to be coated. This method comprises a sintering step resulting in cores having, for example, a diameter of about 500 ⁇ m with a density of about 10.4 g / cm 3 .
  • the solution to be dripped preferably contains polyvinyl alcohol (PVA) and / or tetrahydrofurfuryl alcohol (THFA).
  • PVA polyvinyl alcohol
  • THFA tetrahydrofurfuryl alcohol
  • the required pH is preferably adjusted with ammonia.
  • the cores are calcined and sintered. This is described in the publication DE 10204166 A1; This document is hereby expressly incorporated into the present application.
  • the two processes of calcination and sintering are preferably carried out in a cascade rotary kiln.
  • the oven includes a double-sided and inclined tube. Inside the tube, crucible fittings (cascades) are integrated.
  • the crucible moldings have openings on both sides for the passage of the particles and are arranged offset one after the other. In one revolution of the tube, the particles move gently into the next in the flow direction located crucible molding (cascade).
  • the bottom residual surface of the crucible molding nozzle is preferably slightly more than 50%. It prevents slippage of the particles in the axis of rotation and serves as a radiation shield. Consequently, an optimal transverse mixing of the moving (circulated) particles without mixing with the particles in the adjacent chambers (cascades) is ensured. In addition, a defined particle flow is achieved along the entire furnace.
  • the sintered particles are preferably sieved in a drum apparatus and the non-round particles or particles with "noses" on a vibrating plate are separated from the target fraction
  • the proportion of separated particles is relatively low and amounts to about 1% by weight.
  • the brood and / or fission cores thus obtained are provided with a coating in a further method step according to preferred embodiments.
  • the coating of the cores with pyrolytic carbon and silicon carbide for example, preferred in fluidized beds.
  • These systems consist of a vertical graphite tube with conical bottom, which is heated from the outside, preferably with a graphite resistance heater.
  • the carrier gas required for whirling, preferably argon or hydrogen, and coating gases is introduced.
  • the coating method comprises applying at least one pyrocarbon layer and one silicon carbide layer.
  • the pyrocarbon layers are deposited by thermal decomposition of a mixture comprising ethyne and propyne at temperatures between about 1200 ° C. and 1400 ° C.
  • the coating gas used is methyltrichlorosilane.
  • the deposition temperature is slightly higher and is about 1500 0 C.
  • the reaction and carrier gases are introduced via a water-cooled nozzle lance through a provided with nine holes cone insert from below into the reaction space.
  • the geometry of the cone, the arrangement of the bores, the bore diameter, the angle of inclination of the bores and the gas flow of the coating gases are coordinated so that a very good low vortex height of the particles of less than 500 mm is formed.
  • a uniform concentration of the coating gases can be achieved. This is an important prerequisite for depositing uniform, dense and isotropic layers without soot inclusions.
  • a discharge of the particles is prevented from the reaction tube.
  • the concentration of the reaction gases is preferably about 54% by volume for C 2 H 2 and about 46% by volume for CsH 6 .
  • This composition allows for an exothermic reaction, a deposition of the ILTI and Olti (Inner and Outer Layer isotropy Low Temperature Low Temperature isotropy Layer) at temperatures below 1300 0 C. Consequently, a diffusion of uranium via the gas phase in pyrocarbon layers (Coating contamination) is avoided.
  • ILTI and Olti Inner and Outer Layer isotropy Low Temperature Low Temperature isotropy Layer
  • the cores having a preferred diameter of about 0.5 mm and a preferred density of about 10.4 g / cm 3 are preferably coated four times: first with a buffer layer of pyrocarbon (thickness preferably about 95 ⁇ m, density of preferably about 1, 05 g / cm 3 ), then with a dense pyrocarbon layer (thickness preferably about 40 ⁇ m, density preferably about 1.90 g / cm 3 ), then with a dense SiC layer (thickness preferably about 35 ⁇ m, density preferably about 3, 19 g / cm 3 ) and finally with a dense pyrocarbon layer (thickness preferably about 40 ⁇ m, density preferably about 1.90 g / cm 3 ).
  • the fluids of tetrabromoethane with a density of 2.97 g / cm 3 and barium tetrachloride with a density of 3.49 g / cm 3 can be used in the buoyancy process.
  • the proportion of separated coated particles by sieving and floating is relatively low and is less than 5 wt.%.
  • the manufacturing method according to the invention further comprises the steps of pressing the Brutstoffkernes and repressing the Brutstoff core with the cleavage-containing layer.
  • the number of particles in the fissile layer is about 12,180 and in the ball core about 68,840, which corresponds to a proven by the production and irradiation ago volume loading of 35%.
  • Starting components for the pressing of the fuel elements are the coated particles and the graphite press powder.
  • the coated particles are mixed with the graphite press powder. Then, this mixture is preferably transferred into rubber molds, which are preferably surrounded by steel molds.
  • the material to be compacted is then at a pressure of preferably between 3 and 10 MPa kernel to a viable B renn fabric. This core is then pressed with the clinker-containing layer and transferred into a form that already contains the lower half of the fuel-free layer.
  • the pressing pressure which surrounds the fuel-free layer with the core, which is already surrounded by a gap-containing layer, is preferably in the range between 10 and 30 MPa.
  • the fuel elements are preferably finished with a high-pressure press with a pressing force of preferably about 250 tons with an upper and a lower punch and a steel die with preferably about 10 cm inside diameter.
  • the automated pressing of the fuel elements takes place in two successive stages, namely a first phase of the pre- and post-pressing, which is followed by a third phase of the final pressing.
  • the punching time of the molds is also longer, because there is no more powder in the parting lines, where it causes wear.
  • the already pre-compressed fuel elements are between two rubber cups with an outer diameter of preferably only 10 cm finished pressed, consequently, a lower pressing force is required.
  • the production frequency per fuel element is about 10 seconds. Only one person is required to monitor and operate the system.
  • the method according to the invention preferably also includes over-spinning of the fuel elements. After pressing, the fuel elements are preferably over-turned to the nominal diameter. The shrinkage of the balls during the heat treatment is taken into account.
  • the method according to the invention preferably comprises a heat treatment of the fuel elements.
  • the fuel assemblies are te in an inert atmosphere, preferably argon was heated in an oven at preferably about 85O 0 C.
  • the heating and cooling cycle is preferably about 11 hours.
  • the furnace is preferably a circulating furnace in the form of a cylindrical hood furnace with internal heating.
  • the fuel elements are preferred in vacuo (2 mbar, preferably ⁇ ⁇ 10) calcined at preferably about 2000 0 C.
  • the mixed SiO 2 reacts with the binder coke selectively to SiC (according to DE-102006040309).
  • the annealing is preferably carried out in an induction furnace designed for continuous operation.
  • the BE sphere of 60 mm diameter consists of the A3 graphite matrix tested in irradiation tests with the composition of 71 wt.% Natural graphite FP 1 18 wt.% Graphitized petroleum coke KRB and 11 wt.% Binder coke.
  • the spherical core of 50 mm diameter contains the fuel in the form of UO 2 coated TRISO particles and is enclosed by a 5 mm thick fuel-free shell.
  • the shell is seamlessly connected to the core and forms a unit with it.
  • the binder coke of the shell is transferred during the vacuum annealing to SiC or ZrC.
  • the heavy metal content of the BE ball is 14g or 23,333 coated particles.
  • the uranium is enriched to 7.8% with U-235.
  • the mean residence time of the BE spheres in the reactor is given as 948.4 days and the mean burnup as 80,090.7 MWd / t.
  • the fuel cores are produced by the grafting process by dripping uranium nitrate casting solutions with additives.
  • the diameter of the sintered U ⁇ 2 fuel cores is 500 ⁇ m with a density of 10.4 g / cm 3 .
  • the starting material is U 3 O 8 .
  • U 3 O 8 it is also possible to produce from UF 6 .
  • To prepare the casting solution U 3 Oe is dissolved in nitric acid (HNO 3 ).
  • the concentration of dissolved uranium is 150g / l_iter.
  • 5 g of polyvinyl alcohol (PVA) and 10 g of tetrahydrofurfuryl alcohol (THFA) are added.
  • the required pH is adjusted by the use of ammonia.
  • the casting solution is dripped at a frequency of 100 Hz with a tenfold nozzle head. Each individual nozzle is controlled by its own mass flow controller.
  • the spherical drops thus formed are first solidified in ammonia solution (NH 4 OH) to form ammonium diuranate (ADU) according to the following equation:
  • the cores are calcined and sintered according to DE 10204166A1.
  • the two processes take place in a cascade rotary kiln.
  • the furnace consists of a double-sided inclined pipe. Inside the tube, crucible fittings (cascades) are integrated.
  • the crucible moldings have openings on both sides for the passage of the particles and are arranged offset one after the other. With one revolution of the tube, the particles move gently in the next located in the flow direction crucible molding (cascade).
  • the bottom residual surface of the crucible molding is slightly more than 50%. It prevents slippage of the particles in the axis of rotation and serves as a radiation shield.
  • the sintered particles are sieved in a drum device and the non-round particles or particles with "noses" on a vibrating plate are separated from the target fraction
  • the proportion of separated particles is relatively low and amounts to about 1% by weight.
  • the coating of the fuel cores with pyrolytic carbon and silicon carbide takes place in fluidized beds. These systems consist of a vertical graphite tube with conical bottom, which is heated from the outside with a graphite resistance heater. In the top of the cone open several nozzles through which the carrier gas required for whirling argon or hydrogen and coating gases are introduced.
  • the Pyrokohlenstoff füren are deposited by thermal decomposition of a mixture consisting of ethyne and propyne at temperatures between 1200 ° C and 1400 0 C.
  • coating with silicon carbide serves as coating gas methyltrichlorosilane. The deposition temperature is slightly higher and is 1500 0 C.
  • the CVD coating system is designed for a working tube with an internal diameter of 170 mm to 400 mm.
  • the reaction and carrier gases are introduced from below into the reaction space via a water-cooled nozzle lance through the conical insert provided with nine bores.
  • the cone geometry, the arrangement of the bores, the bore diameter, the angle of inclination of the bores and the gas flow of the coating gases are coordinated so that a very low vortex height of the particles of less than 500 mm is formed (cone designation K 26 B).
  • K 26 B At a low vortex level, a uniform concentration of the coating achieve gas. This is an important prerequisite for depositing uniform, dense and isotropic layers without soot inclusions.
  • a discharge of the particles is prevented from the reaction tube.
  • the concentration of the reaction gases C 2 H 2 of 54 vol.% And C 3 H 6 of 46 vol.% Allows due to exothermic reaction, a deposition of ILTl and OLTI (Inner Low Temperature Isotropy Layer and Outer Low Temperature Isotropy Layer) at temperatures below 1300 0 C. Consequently, a diffusion of uranium over gas phase in pyrocarbon layers (coating contamination) is avoided.
  • ILTl and OLTI Inner Low Temperature Isotropy Layer and Outer Low Temperature Isotropy Layer
  • the system can be used to control the important process parameters, pressure, gas flows and temperature.
  • the gas flows are controlled electronically by a mass flow controller (MFC).
  • MFC mass flow controller
  • the system is equipped with a menu-driven PC control. Recipient is a double-walled, water-cooled, vertical cylinder.
  • the recipient is designed for a permissible operating pressure of 0 to 1.4 bar and has, in addition to the electrical and cooling connections, all the necessary connections for visual observation and pyrometric temperature measurement in the upper cover flange as well as gas supply and thermocouple feedthrough on the lower cover flange.
  • the gas is supplied via a water-cooled nozzle lance made of stainless steel, which opens conically into the Ausströmboden.
  • the temperature measurement on the system is carried out via four to five measuring ports introduced laterally.
  • Thermocouples, radiation pyrometers or infrared measuring devices can be used here.
  • the two water-cooled lids at the bottom and top are hinged, flanged and can be used for Installation and removal of graphite internals (cone and reaction tube) or to remove particles.
  • the UO 2 fuel cores with a diameter of 0.5 mm and a density of 10.4 g / cm 3 are coated four times, first with a buffer layer of pyrocarbon (thickness 95 .mu.m, density of 1.05 g / cm 3 ), then with a dense pyrocarbon layer (thickness 40 ⁇ m, density 1, 90 g / cm 3 ), then with a dense SiC layer (thickness 35 ⁇ m, density 3.19 g / cm 3 ) and finally with a dense pyrocarbon layer (thickness 40 ⁇ m , Density 1, 90g / cm 3 ).
  • the particles are separated with oversize and undersize, and the particles with geometric densities d ⁇ 2.97 g / cm 3 and d> 3.49 g / cm 3 of the target fraction.
  • the fluids of tetrabromoethane with a density of 2.97 g / cm 3 and barium tetrachloride with a density of 3.49 g / cm 3 can be used in the buoyancy process.
  • the proportion of separated coated particles by sieving and floating is relatively low and is less than 5 wt.%.
  • the graphite press powder consists of:
  • Crystallite size Lc 100 nm, mean grain diameter 10 to 20 ⁇ m, ash content 200 ppm and boron equivalent from the impurities of the ash ⁇ 1 ppm.
  • the natural and electrographic powders are homogenized in a weight ratio of 4: 1 dry in Lödige mixer.
  • the phenolic resin is dissolved in methanol.
  • the weight ratio is resin: methanol
  • the graphite powder mixture and the resin dissolved in the methanol are transferred to the 100 l kneader from Werner and Pfleiderer.
  • the methanol can be replaced by denatured ethanol.
  • the sigma blades of the kneader can be moved in and out. After kneading (1/2 hour right and left 1/2 hour), the kneaded material is forced by extrusion onto a belt dryer and at 105 0 C getrock- net.
  • the evaporated methanol (ethanol) is returned. After drying, the kneaded material is crushed with a hammer mill (sieve setting 1 mm), then homogenized and stored. All devices are explosion-proof and in VA quality.
  • the wrapping of the particles takes place in a rotating drum in the manner of a coating process.
  • the batch size after splitting A is nominally 11,136.36 g UO 2 corresponding to 34,000 g coated particles. These are wrapped in three wrapping batches with 12,000 g graphite powder each.
  • the powdered powder is added to the rolling bed of coated particles, whereby the atomization of alcohol under pressure without the addition of air he follows.
  • the air nozzle diameter is 1, 5 to 2 mm depending on the humidity.
  • the coated particles are dried analogously to the kneaded on a belt dryer at 105 0 C. Subsequently, the non-round particles or twins are separated on a vibrating plate. The coating of the separated particles is removed by washing in methanol, and the recovered particles are returned to the successive batch.
  • the coated coated particles are provided as a multiple of the amount required per ball (14 g of heavy metal) and divided into single portions in a rotating cell storage. Each of the 71 lines can be emptied individually by a bottom flap.
  • the portion divider consists of two cell memories, one of which is in the split position, the other in the allocation position. The portioning process is carried out because it provides a defined number of homogeneous fuel particles and results in a high sum quantity inaccuracy.
  • the graphite press powder for the fuel-containing core is added by weight to a weigh feeder.
  • Enveloped coated particles and graphite press powder fall together in a rotating premixer, which is emptied by reversing the direction of rotation via built-in blades.
  • the production of the particle-containing fuel core takes place on a switching turntable with 8 positions.
  • the rubber mold becomes filling composed.
  • the pressed material falls into the rubber mold in position 10.
  • the rubber mold consists of a lower part and upper part and is surrounded by a steel mold.
  • the steel molds are partially rotatably mounted on the shift turntable. In position 11 to 13, the mold rotates slowly, at the same time a whirl rotating in the opposite direction dives into the mold and produces a homogeneous distribution of the fuel particles in the pressed powder. In positions 11, 12, and 13, the rotary whisker dives on and is folded out in position 13.
  • the rubber mold In position 14, the rubber mold is closed by the rubber cover attached to the hydraulically actuated upper punch of the press and the pressed material is pre-pressed at a pressing pressure of 3 and 10 MPa to a fuel core capable of handling.
  • the lower stamp of the steel mold sits on a ring spring.
  • the lifting height is such that, when compressed, this coincides with the lifting height of the upper punch.
  • the frame of the press is U-shaped and surrounds the shift turntable with the matrices.
  • the mold top of the rubber mold is removed with a vacuum and lifted in position 9 to refill the mold.
  • a Polyp gripper grasps the pre-pressed ball core and raises it. After the upper part has been swung back into position 9 and laid on top, the rubber mold runs in position 10 for refit.
  • the high-pressure press with a press force of about 250 tons consists of an upper and a lower punch and a steel die with 10 cm inner diameter, whereby the two punches are hydraulically driven.
  • ball sockets made of silicone rubber with a detachable button connection are attached.
  • the rubber cups are dimensioned so that with an outer diameter of 10 cm and an adjusted ball cavity of the pressed BE balls of approx. 7 cm are pressed to the final density.
  • the automated pressing of the BE balls takes place in two successive stages, namely a first phase of the pre- and post-pressing, which is followed by a third phase of the final pressing.
  • the ball retainer is made by two steel calottes arranged on the left and right, each with a rubber sleeve. Between the calottes there is a turning tool that can be swiveled through 90 ° with a cutting bit made of diamond, in order to virtually eliminate wear during turning.
  • the balls are first held by vacuum suction in the right dome and half turned off. After the change of position from the right to the left dome, the twisting off of the second ball half takes place.
  • the two calottes and the tool are housed in a Plexiglas box connected to a suction device.
  • the crazy one Material is returned to the graphite powder.
  • the calibration cycle (cycle time / ball) is approx. 20 seconds.
  • the BE-balls for carbonization of the phenol formaldehyde binder resin, the BE-balls in an inert atmosphere, preferably argon in a heated convection oven at about 85O 0 C.
  • the batch size is 1,000 BE balls.
  • the heating and cooling cycle is approx. 11 hours.
  • the Umisselzofen is a cylindrical hood furnace with internal heating.
  • a variable-speed heating gas fan sucks the furnace atmosphere from top to bottom through the ball packing, blowing it upwards through a chrome-nickel heating coil and through the annulus between a guide tube and the furnace shell. All connections and feedthroughs are located on the fixed cooled base plate which also carries the batch table, the heater coil and the cooled fan tray. Insulating hood and recipient do not need any connection cables, they can be removed separately or together freely.
  • the low heat capacity of the high-quality ceramic fiber insulation allows such short cooling times that the furnace can be operated in a 12-hour cycle.
  • the operating voltage of the heater is 50 V, the connected load only 14 KW. Since there are no cold components above the batch table, the batch area remains completely clean during operation and, in contrast to the Dragon and HOBEG coking ovens, free of condensate. The discharge of the cracking products takes place rapidly and practically without secondary pyrolysis.
  • the oven is equipped with six thermocouples and one device each to measure liquid and gaseous cracking products. All measured quantities are converted into electrical signals and registered on a 6-color point recorder. After coking, the BE-spheres in vacuum ( ⁇ 2 mbar ⁇ 10) calcined at about 2000 0 C. The mixed SiÜ 2 reacts with the binder coke selectively to SiC according to DE-102006040309.
  • the annealing takes place in an induction furnace designed for continuous operation.
  • the BE sphere of 60 mm diameter made of A3 graphite matrix consists of a core of 48 mm diameter.
  • the core contains predominantly the breeding substance thorium in the form of TRISO-coated particles and is enclosed by a 3 mm-thick gap-containing layer.
  • the fissile is also in the form of TRISO-coated particles of UO 2 low uranium enrichment or fissile plutonium isotopes.
  • the outer shell of 3 mm thickness is fuel-free and consists of A 3 Graphithmatrix.
  • the binder coke formed during coking is converted to SiC.
  • the void-containing ball core and the fissile-containing layer as well as the fuel-free shell are seamlessly connected to each other by pressing and form a unit.
  • the spherical core contains 31 g of thorium and 1.7 g of uranium as ⁇ U, Th) ⁇ 2 coated particles and the fissile layer contains 4.6 g of uranium as UO2 particles.
  • the core and shell uranium is 17% enriched in U-235. To maintain the negative temperature coefficient, be 27% of U-235 is displaced from the fissile layer into the ball core.
  • the core diameter of the coated UO2 and (U, Th) ⁇ 2 particles is 500 ⁇ m.
  • the particles are coated four times with pyrocarbon and silicon carbide.
  • the number of particles in the fissile layer is 12,180 and in the ball core 68,840, which corresponds to a proven by the manufacture and irradiation volume loading of 35%.
  • the essential feature of the proposed BE-ball is the separate arrangement of the breeding substance in the spherical core and the Spaitschers in the layer.
  • the separate arrangement of fission and breeding material within a sphere and a high ratio of thorium to uranium-235 of about 30 favor the formation of uranium-233 from thorium and the formation of fissile plutonium isotopes from uranium-238.
  • the uranium converted from uranium to uranium-233 is a valuable fissile and is characterized by high ⁇ values. With a 2.21 ⁇ value for uranium-233, it is significantly higher than the ⁇ value of uranium-235 of 1.95.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelement (BE), das einen Spaltstoff und einen Brutstoff umfasst, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das erfindungsgemäße Brennelement weist einen Kern auf, eine den Kern umgebende Schicht und einer Außenschale, wobei der Kern einen Brutstoff enthält und die ihn umgebende Schicht einen Spaltstoff enthält. Die vorliegende Erfindung stellt Brennelemente bereit, die sich dadurch auszeichnen, dass sie eine hohe Verweildauer im Reaktor haben.

Description

Brennelement mit Spalt- und Brutstoff sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelement (BE), das einen Spaltstoff und einen Brutstoff umfasst, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die vorliegende Erfindung stellt Brennelemente bereit, die sich dadurch auszeichnen, dass sie eine hohe Verweildauer im Reaktor haben.
Die Brennelemente der vorliegenden Erfindung haben bevorzugt einen Durchmesser von etwa 60 mm. Sie enthalten bevorzugt eine Graphitmatrix als Haupt- komponente. Ferner weisen sie einen Kern auf, der bevorzugt einen Durchmesser von etwa 48 mm hat.
Der brutstoffhaltige Kern enthält als Brutstoff bevorzugt Thorium in beschichteten Teilchen und ist von einer bevorzugt 3 mm dicken spaltstoffhaltigen Schicht umschlossen. Der Spaltstoff liegt bevorzugt ebenfalls in beschichteten Teilchen vor. Dabei ist der Spaltstoff bevorzugt ausgewählt aus Uran, vorzugsweise UO2, oder spaltbaren Plutonium-Isotopen. Das Brennelement weist ferner eine Außenschale auf. Die Außenschale von bevorzugt 3 mm Dicke ist brennstofffrei und umfasst bevorzugt die Graphitmatrix und kann zusätzlich Siliziumcarbid enthalten.
Der brutstoffhaltige Kern und die spaltstoffhaltige Schicht sowie die Außenschale sind bevorzugt übergangslos durch Pressen miteinander verbunden und bilden somit eine Einheit. Der Kern des erfindungsgemäßen Brennelementes enthält bevorzugt etwa 31 g Thorium und etwa 1 ,7 g Uran als (U1Th)O2 beschichtete Teilchen und die Spaltstoffschicht 4,6 g Uran als UO2 Teilchen. Das Uran im Kern und in der Schale ist bevorzugt zu etwa 17% an U-235 angereichert. Um den negativen Temperatur- koeffizienten aufrecht zu erhalten, werden bevorzugt etwa 27% der U-235 aus der Spaltstoffschicht in den Kern verlagert. Der Kerndurchmesser der beschichteten UO2- und (U,Th)O2-Teilchen beträgt bevorzugt etwa 500 μm.
Das wesentliche Merkmal der vorgeschlagenen Brennelemente besteht in der getrennten Anordnung des Brutstoffes im Kern und des Spaltstoffes in der den
Kern umgebenden Schicht. Die getrennte Anordnung von Spalt- und Brutstoffes innerhalb eines Brennelementes und ein hohes Verhältnis von Thorium zu Uran-
235 von bevorzugt etwa 30 begünstigen die Bildung von Uran-233 aus Thorium und die Bildung von spaltbaren Plutonium-Isotopen aus Uran-238. Das aus Thorium zu Uran-233 konvertierte Uran ist ein wertvoller Spaltstoff und zeichnet sich durch hohe ή-Werte aus. Mit 2,21 ή -Wert für Uran-233 liegt er deutlich höher als der ή-Wert von Uran-235 von 1 ,95.
Zum „Begin of Life" (BOL) wird die Wärme vorzugsweise in der spaltstoffhaltigen Schicht des Brennelementes erzeugt. Mit dem zunehmenden Abbrand von Uran-235 baut sich das aus Thorium konvertierte Uran-233 im Kern auf. Folglich wird die Wärmeerzeugung von der Spaltstoffschicht in den Brutstoffkern schrittweise verlagert und das „Burning in Place" von Uran-233 und von spaltbaren Plutonium-Isotopen zunehmend gesteigert. Der dadurch erzielbare hohe Kon- versionsfaktor, verbunden mit den günstigen ή-Werten von Uran-233 ermöglicht eine um etwa den Faktor 2 längere Verweilzeit der Brennelemente im Reaktor. Folglich wird der Bedarf an Uran -235 bzw. an Brennelementen halbiert. Das erfindungsgemäße Hersteilungsverfahren sieht bevorzugt den Schritt des Hersteilens eines Graphitpulvers vor, welches dem Aufbau der Graphitmatrix dient.
Das Graphitpresspulver hat bevorzugt etwa folgende Zusammensetzung: 64 Gewichtsprozent Naturgraphit, 16 Gewichtsprozent graphitierter Petrolkoks, 20 Gewichtsprozent Phenolformaldehydharz.
Damit das erfindungsgemäße Verfahren mit Erfolg durchgeführt werden kann, sind bevorzugt folgende Parameter einzuhalten:
Der Naturgraphit hat bevorzugt eine Schüttdichte etwa 0,4 g/cm3, Korndichte etwa 2,26 g/cm3, BET-Oberfläche etwa 2 m2/g, Kristallitgröße etwa Lc = 100 nm, mittlerer Korndurchmesser 10 bis 20 μm, Aschegehalt etwa 200 ppm und/oder Bor-Äquivalent aus den Verunreinigungen der Asche < 1 ppm.
Der graphitierte Petrolkoks zeichnet sich bevorzugt aus durch eine Graphitierungstemperatur von >30000°C, eine Schüttdichte von etwa 0,65 g/cm3, eine Korndichte von etwa 2,2 g/cm2, eine BET-Oberfläche von etwa 1 ,2 m2/g, eine Kristallitgröße von etwa Lc = 60 nm, einen mittleren Korndurchmesser von 30 bis 40 μm, einen Aschegehalt von etwa 10 ppm und/oder ein Bor- Äquivalent aus den Verunreinigungen der Asche von <1 ppm.
Das Phenolformaldehydharz zeichnet sich bevorzugt aus durch das Kondensa- tionsmittel HCl, ein Molekulargewicht von etwa 690, einen Erweichungspunkt von etwa 1010C, einen pH-Wert von etwa 6, eine Säurezahl von etwa 7,5, freies Phenol von etwa 0,12 Gew. %, Koksausbeute von etwa 50 %, eine Löslichkeit in Methanol von etwa 99,97 Gew. %, einen Aschegehalt von etwa 160 ppm und/oder ein Bor-Äquivalent aus den Verunreinigungen der Asche von <1 ppm. - A -
Zur Anhebung des Molekulargewichts wird das Harz nach der Kondensation bevorzugt einer Wasserdampf-Destillation unterzogen.
Die Natur- und Elektrographitpulver werden im Gewichtsverhältnis von bevor- zugt etwa 4:1 trocken in einem Mischer homogenisiert. Parallel dazu wird das Phenolharz in Methanol aufgelöst. Beim Auflösen beträgt das Gewichtsverhältnis Harz zu Methanol bevorzugt etwa 1 ,25:2,3.
Das Graphitpulvergemisch und das im Methanol gelöste Harz werden vorzugs- weise in einen Kneter überführt. Aus gesundheitlichen Gründen kann das Methanol durch denaturiertes Ethanol ersetzt werden. Nach dem Kneten (etwa 1 Stunde) wird das Knetgut vorzugsweise durch Extrusion auf einen Bandtrockner herausgedrückt und bei etwa 1050C getrocknet. Das verdampfte Methanol (Ethanol) wird bevorzugt zurückgeführt. Nach dem Trocknen wird das Knetgut vorzugsweise mit einer Hammermühle gebrochen (Siebeinstellung etwa 1 mm), dann homogenisiert und bei Bedarf gelagert.
Bevorzugt umfasst das Verfahren die Beimengung von SiÜ2 zum Graphitpresspulver. Dieses Oxid wird später beim Verkoken zum Carbid umgesetzt. Der Gehalt des untergekneteten SiO2-Pulvers beträgt vorzugsweise etwa 83,4 Gew. % bezogen auf das Binderharz. Das entspricht einem Volumenanteil in der 3 mm dicken Schale von 6,8 %.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sieht ferner bevorzugt den Schritt der Herstellung beschichteter Teilchen vor. Je nach Ausführungsform der Erfindung liegen der Spaltstoff und/oder der Brutstoff in Form solcher beschichteten Teilchen innerhalb des Brennelementes vor. Dabei weist ein beschichtetes Teilchen stets einen Kern auf, der mit einer Beschichtung versehen ist. — O ■**
Der Kern kann bevorzugt nach dem Gel-Fällungsverfahren durch Vertropfung von Lösungen der zu beschichtenden Stoffe hergestellt werden. Dieses Verfahren umfasst einen Sinterschritt, der zu Kernen führt, die beispielsweise einen Durchmesser von etwa 500 μm mit einer Dichte von etwa 10,4 g/cm3 haben. Neben dem Spalt- und/oder Brutstoff enthält die zu vertropfende Lösung bevorzugt Polyvinylalkohol (PVA) und/oder Tetrahydrofurfurylaikohol (THFA). Der erforderliche pH-Wert wird bevorzugt mit Ammoniak eingestellt.
Nach vorzugsweise durchgeführtem Waschen, Altern und Trocknen werden die Kerne kalziniert und gesintert. Dies ist in der Druckschrift DE 10204166 A1 beschrieben; diese Druckschrift wird hiermit ausdrücklich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Die beiden Vorgänge des Kalzinierens und Sinterns erfolgen vorzugsweise in einem Kaskaden-Drehrohrofen.
Der Ofen umfasst ein beidseitig gelagertes und geneigtes Rohr. Im Rohrinneren sind Tiegelformteile (Kaskaden) integriert. Die Tiegelformteile weisen beiderseitig Durchbrechungen zum Durchtritt der Teilchen auf und sind aufeinander folgend versetzt angeordnet. Bei einer Umdrehung des Rohres bewegen sich die Teilchen schonend in den nächsten in der Fließrichtung befindlichen Tiegel- formteil (Kaskade). Die Bodenrestfläche des Tiegelformteüs beträgt bevorzugt etwas mehr als 50 %. Sie verhindert das Durchrutschen der Teilchen in der Drehachse und dient als Strahlenschirm. Folglich wird eine optimale Quermischung der bewegten (umgewälzten) Teilchen ohne Vermischung mit den Teilchen in den Nachbarkammern (Kaskaden) gewährleistet. Außerdem wird ein definierter Teilchenstrom entlang des gesamten Ofens erzielt. Das sind die wichtigsten Voraussetzungen für die Vergleichmäßigung der angestrebten Kernqualität und zur Vermeidung von Rissbildung in den Teilchen bei der Wärmebehandlung. Die gesinterten Teilchen werden bevorzugt in einer Trommelvorrichtung gesiebt und die unrunden Teilchen oder Teilchen mit „Nasen" auf einer Vibrationsplatte von der Soll-Fraktion abgetrennt. Der Anteil an abgetrennten Teilchen ist relativ gering und beträgt ca. 1 Gew.-%.
Die so erhaltenen Brut- und/oder Spaltstoffkerne werden gemäß bevorzugten Ausführungsformen in einem weiteren Verfahrensschritt mit einer Beschichtung versehen.
Die Beschichtung der Kerne mit Pyrokohlenstoff und Siliziumcarbid beispielsweise bevorzugt in Wirbel bettanlagen. Diese Anlagen bestehen aus einem senkrecht stehenden Graphitrohr mit konischem Boden, das von außen vorzugsweise mit einer Graphitwiderstandsheizung beheizt wird. In die Spitze des Konus münden mehrere Düsen, durch die das zum Wirbeln benötigte Träger- gas, vorzugsweise Argon oder Wasserstoff, und Beschichtungsgase eingeleitet wird.
Das Beschichtungsverfahren umfasst das Aufbringen wenigstens einer Pyrokohlenstoffschicht und einer Siliziumcarbidschicht. Die Pyrokohlenstoffschichten werden durch thermische Zersetzung einer Mischung umfassend Ethin und Propin bei Temperaturen zwischen etwa 12000C und 14000C abgeschieden. Bei der Beschichtung mit Siliziumcarbid dient als Be- schichtungsgas Methyltrichlorsilan. Die Abscheidetemperatur liegt etwas höher und beträgt ca. 15000C.
Die Reaktions- und Trägergase werden über eine wassergekühlte Düsenlanze durch einen mit neun Bohrungen versehenen Konuseinsatz von unten in den Reaktionsraum eingeleitet. Die Konusgeometrie, die Anordnung der Bohrungen, der Bohrungsdurchmesser, der Neigungswinkel der Bohrungen und der Gasf- luss der Beschichtungsgase sind so aufeinander abgestimmt, dass eine sehr niedrige Wirbelhöhe der Teilchen von weniger als 500 mm entsteht. Bei einer niedrigen Wirbelhöhe lässt sich eine gleichmäßige Konzentration der Beschich- tungsgase erzielen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, um gleichmäßige, dichte und isotrope Schichten ohne Rußeinschiüsse abzuscheiden. Außerdem wird ein Austragen der Teilchen aus dem Reaktionsrohr unterbunden. Die Konzentration der Reaktionsgase beträgt bevorzugt für C2H2 etwa 54 Vol.-% und für CsH6 etwa 46 Vol.-%. Diese Zusammensetzung ermöglicht wegen exothermer Reaktion eine Abscheidung der ILTI und OLTI (Inner Low Temperature Isotropie Layer und Outer Low Temperature Isotropie Layer) bei Temperaturen unterhalb 13000C. Folglich wird eine Diffusion von Uran über die Gasphase in Pyrokohlenstoffschichten (Coating contamination) vermieden.
Die Kerne mit einem bevorzugten Durchmesser von etwa 0,5 mm und einer bevorzugten Dichte von etwa 10,4 g/cm3 werden vorzugsweise vierfach be- schichtet: zunächst mit einer Pufferschicht aus Pyrokohlenstoff (Dicke vorzugsweise etwa 95μm, Dichte von vorzugsweise etwa 1 ,05 g/cm3), dann mit einer dichten Pyrokohlenstoffschicht (Dicke vorzugsweise etwa 40 μm, Dichte vorzugsweise etwa 1 ,90 g/cm3), anschließend mit einer dichten SiC-Schicht (Dicke vorzugsweise etwa 35 μm, Dichte vorzugsweise etwa 3,19 g/cm3) und abschlie- ßend mit einer dichten Pyrokohlenstoffschicht (Dicke vorzugsweise etwa 40 μm, Dichte vorzugsweise etwa 1 ,90g/cm3).
Im Produktionsmaßstab ist vorgesehen, 10 kg Chargen, bezogen auf den Schwermetallgehalt, in Anlagen mit einem 400 mm Innenrohrdurchmesser zu beschichten. Nach der Beschichtung werden die Teilchen getrennt voneinander gesiebt und zusätzlich gemäß der Druckschrift DE 10144352A1 einem Auftriebsvorgang unterzogen.
Dabei werden die Teilchen mit Über- und Unterkorn, sowie die Teilchen mit geometrischen Dichten d <2,97 g/cm3 und d >3,49 g/cm3 von der Soll-Fraktion abgetrennt. Hierfür können bei dem Auftriebsvorgang die Flüssigkeiten von Tetrabromethan mit einer Dichte von 2,97 g/cm3 und Bariumtetrajodmercurat mit einer Dichte von 3,49 g/cm3 eingesetzt werden. Der Anteil der abgetrennten beschichteten Teilchen durch Sieben und Flotieren ist relativ gering und beträgt weniger als 5 Gew. %.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren umfasst ferner die Schritte des Pressens des Brutstoffkernes und des Umpressens des Brutstoff kerns mit der spaltstoffhaltigen Schicht.
Die Anzahl der Teilchen in der Spaltstoffschicht beträgt etwa 12.180 und in dem Kugelkern etwa 68.840, was einer von der Herstellung und Bestrahlung her erprobten Volumenbeladung von 35 % entspricht.
Das Pressen der Brennelemente richtet sich nach den in DE10253205A1 und DE19837989C2 beschriebenen Verfahren. Diese Druckschriften werden ausdrücklich in diese Anmeldung einbezogen.
Ausgangskomponenten für das Pressen der Brennelemente sind die beschichte- ten Teilchen und das Graphitpresspulver. Zum Pressen werden zunächst die beschichteten Teilchen mit dem Graphitpresspulver gemischt. Dann wird diese Mischung vorzugsweise in Gummiformen überführt, die bevorzugt von Stahlformen umgeben sind. Das Pressgut wird dann mit einem Druck von vorzugsweise zwischen 3 und 10 MPa zu einem hantierfähigen B renn Stoff kern. Dieser Kern wird sodann mit der spaltstoffhaltigen Schicht umpresst und in eine Form überführt, die bereits die untere Hälfte der brennstofffreien Schicht enthält.
Der Pressdruck, der die brennstofffreie Schicht mit dem Kern, der bereits von einer spaltstoffhaltigen Schicht umgeben ist, liegt bevorzugt im Bereich zwi- sehen 10 und 30 MPa. Danach werden die Brennelemente bevorzugt mit einer Hochdruckpresse mit einer Presskraft von vorzugsweise etwa 250 Tonnen mit einem oberen und einem unteren Stempel sowie einer Stahlmatrize mit bevorzugt etwa 10 cm Innendurchmesser fertig gepresst.
Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren erfolgt das automatisierte Pressen der Brennelemente in zwei aufeinander folgenden Stufen, nämlich einer ersten Phase des Vor- und Nachpressens, der sich eine dritte Phase des Fertigpressens anschließt.
Es ergeben sich folgende Vorteile: Kleine Pressen mit einer Presskraft von nur ca. 7 Tonnen in der ersten Stufe und ca. 20 Tonnen in der zweiten Stufe lassen sich mit den Schaltdrehtellern einfach und sicher automatisieren. Die Gummi- formen werden weniger beansprucht und zeigen kaum noch Verschleiß. Einge- presste Luft kann nach dem Pressen wieder entweichen, da das vorverdichtete Brennelement noch gasdurchlässig ist. Das Evakuieren in der Hochdruckpresse ist der taktbestimmende Zeitschritt. Es kann wesentlich schneller erfolgen, weil nicht mehr zu befürchten ist, dass loses Pulver mitgerissen wird. Bestenfalls kann das Evakuieren sogar wegfallen. Die Hochdruckpressform ist einfacher aufgebaut. Sie besteht bevorzugt aus zwei gleichen Kugel kalotten, die an den Stempeln mit lösbaren Knöpfverbindungen befestigt sind. Die Stanzzeit der Formen wird auch länger, denn es kommt kein Pulver mehr in die Teilfugen, wo es Verschleiß bewirkt. Die bereits vorverdichteten Brennelemente werden zwi- sehen zwei Gummikalotten mit einem Außendurchmesser von vorzugsweise nur 10 cm fertig gepresst, folglich ist eine geringere Presskraft erforderlich. Die Fertigungsfrequenz pro Brennelement liegt bei ca. 10 Sekunden. Zur Überwachung und Bedienung der Anlage ist nur eine Person erforderlich. Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren auch das Überdrehen der Brennelemente. Nach dem Pressen werden die Brennelemente bevorzugt auf den Solldurchmesser überdreht. Dabei wird die Schrumpfung der Kugeln bei der Wärmebehandlung berücksichtigt.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren eine Wärmebehandlung der Brennelemente.
Zum Verkoken des Phenolformaldehyd-Binderharzes werden die Brennelemen- te in Inertatmosphäre, vorzugsweise Argon, in einem Ofen auf bevorzugt ca. 85O0C erhitzt. Der Aufheiz- und Abkühlzyklus beträgt vorzugsweise ca. 11 Stunden.
Der Ofen ist vorzugsweise ein Umwälzofen in Form eines zylindrischen Haubenofens mit innenliegender Heizung.
Nach dem Verkoken werden die Brennelemente bevorzugt im Vakuum (vorzugsweise <10~2 mbar) bei vorzugsweise ca. 20000C ausgeglüht. Dabei reagiert das untergemischte SiO2 mit dem Binderkoks selektiv zu SiC (gemäß DE- 102006040309).
Das Ausglühen erfolgt vorzugsweise in einem für den kontinuierlichen Betrieb ausgelegten Induktionsofen.
Die folgenden Beispiele schränken den Gegenstand der Erfindung nicht ein, sondern dienen der Veranschaulichung. Vergleichsbeispiel
Im Folgenden wird ein Herstellungsprozess für Standard-Brennelementkugeln beschrieben. Diese Standardkugeln unterscheiden sich von den Brennelementen der vorliegenden Erfindung dadurch, dass sie lediglich Uran als Brennstoff aufweisen.
Die BE-Kugel von 60 mm Durchmesser besteht aus der in Bestrahlungstests erprobten A3 Graphitmatrix mit der Zusammensetzung von 71 Gew. % Naturgraphit FP1 18 Gew. % graphitiertem Petrolkoks KRB und 11 Gew. % Binderkoks. Der Kugelkern von 50 mm Durchmesser enthält den Brennstoff in Form von UO2 beschichteten TRISO-Teilchen und ist von einer 5 mm dicken brennstofffreien Schale umschlossen. Die Schale ist mit dem Kern übergangslos verbunden und bildet mit ihm eine Einheit. Um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen und somit die an die BE gestellten Forderungen der HT- Kugelhaufenreaktoren der Folgegeneration zu erfüllen, wird der Binderkoks der Schale bei der Vakuumglühung zu SiC oder ZrC überführt.
In Anlehnung an das PBMR-BE-Design beträgt der Schwermetallgehalt der BE- Kugel 14g bzw. 23.333 beschichtete Teilchen. Das Uran ist zu 7,8 % angereichert mit U-235. Die mittlere Verweilzeit der BE-Kugeln im Reaktor wird mit 948,4 Tagen und der mittlere Abbrand mit 80.090,7 MWd/t angegeben.
Herstellung der Brennstoffkerne für die BE-Kugeln im Vergleichsbeispiel
Die Brennstoffkerne werden nach dem Gel-Fällungsverfahren durch Vertropfung von Uranilnitrat-Gießlösungen mit Zusätzen hergestellt. Der Durchmesser der gesinterten Uθ2-Brennstoffkerne beträgt 500μm mit einer Dichte von 10,4 g/cm3. Als Ausgangsmaterial dient U3O8. Anstelle von U3O8 kann auch aus UF6 herge- stelltes UO3 oder UO2 eingesetzt werden. Zur Herstellung der Gießlösung wird U3Oe in Salpetersäure (HNO3) aufgelöst. Die Konzentration des aufgelösten Urans beträgt 150g/l_iter. Dazu werden 5 g Polyvinylalkohol (PVA) und 10 g Tetrahydrofurfurylalkohol (THFA) beigemischt. Der erforderliche pH-Wert wird durch den Einsatz von Ammoniak eingestellt.
Die Gießlösung wird bei einer Frequenz von 100 Hz mit einem zehnfachen Düsenkopf betropft. Jede einzelne Düse wird mit je einem eigenen Mass Flow- Controller eingesteuert. Die dabei gebildeten sphärischen Tropfen werden zu- nächst in Ammoniaklösung (NH4OH) zu Ammoniumdiuranat (ADU) gemäß der nachstehenden Gleichung verfestigt:
2 UO2(NO3)2+6NH4OH (NH4)2U2θ7+NH4NO3+3H2O
Nach Waschen, Altern und Trocknen werden die Kerne gemäß der DE 10204166A1 kalziniert und gesintert. Die beiden Vorgänge erfolgen in einem Kaskaden-Dreh rohrofen. Der Ofen besteht aus einem beidseitig gelagerten und geneigten Rohr. Im Rohrinneren sind Tiegelformteile (Kaskaden) integriert. Die Tiegelformteile weisen beiderseitig Durchbrechungen zum Durchtritt der Teilchen auf und sind aufeinander folgend versetzt angeordnet. Bei einer Umdrehung des Rohres bewegen sich die Teilchen schonend in den nächsten in der Fließrichtung befindlichen Tiegelformteil (Kaskade). Die Bodenrestfläche des Tiegelformteils beträgt etwas mehr als 50 %. Sie verhindert das Durchrutschen der Teilchen in der Drehachse und dient als Strahlenschirm. Folglich wird eine optimale Quermischung der bewegten (umgewälzten) Teilchen ohne Vermischung mit den Teilchen in den Nachbarkammern (Kaskaden) gewährleistet. Außerdem wird ein definierter Teilchenstrom entlang des gesamten Ofens erzielt. Das sind die wichtigsten Voraussetzungen für die Vergieichmäßigung der angestrebten Kernqualität und zur Vermeidung von Rissbildung in den Teilchen bei der Wärmebehandlung.
Die gesinterten Teilchen werden in einer Trommelvorrichtung gesiebt und die unrunden Teilchen oder Teilchen mit „Nasen" auf einer Vibrationsplatte von der Soll-Fraktion abgetrennt. Der Anteil an abgetrennten Teilchen ist relativ gering und beträgt ca. 1 Gew.-%.
Beschichtung der Brennstoff kerne im Vergleichsbeispiel
Die Beschichtung der Brennstoffkerne mit Pyrokohlenstoff und Siliziumcarbid erfolgt in Wirbel bettanlagen. Diese Anlagen bestehen aus einem senkrecht stehenden Graphitrohr mit konischem Boden, das von außen mit einer Graphitwiderstandsheizung beheizt wird. In die Spitze des Konus münden mehrere Düsen, durch die das zum Wirbeln benötigte Trägergas Argon oder Wasserstoff und Beschichtungsgase eingeleitet werden. Die Pyrokohlenstoffschichten werden durch thermische Zersetzung einer Mischung bestehend aus Ethin und Propin bei Temperaturen zwischen 1200°C und 14000C abgeschieden. Bei der Beschichtung mit Siliziumcarbid dient als Beschichtungsgas Methyltrichlorsilan. Die Abscheidetemperatur liegt etwas höher und beträgt 15000C.
Die CVD-Beschichtungsanlage ist für ein Arbeitsrohr mit einem Innendurchmesser von 170 mm bis 400 mm ausgelegt. Die Reaktions- und Trägergase werden über eine wassergekühlte Düsenlanze durch den mit neun Bohrungen versehe- nen Konuseinsatz von unten in den Reaktionsraum eingeleitet. Die Konusgeometrie, die Anordnung der Bohrungen, der Bohrungsdurchmesser, der Neigungswinkel der Bohrungen und der Gasfluss der Beschichtungsgase sind so aufeinander abgestimmt, dass eine sehr niedrige Wirbelhöhe der Teilchen von weniger als 500 mm entsteht (Konusbezeichnung K 26 B). Bei einer niedri- gen Wirbelhöhe lässt sich eine gleichmäßige Konzentration der Beschichtungs- gase erzielen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, um gleichmäßige, dichte und isotrope Schichten ohne Rußeinschlüsse abzuscheiden. Außerdem wird ein Austragen der Teilchen aus dem Reaktionsrohr unterbunden. Die Konzentration der Reaktionsgase C2H2 von 54 Vol. % und C3H6 von 46 Vol. % ermöglicht wegen exothermer Reaktion eine Abscheidung der ILTl und OLTI (Inner Low Temperature Isotropie Layer und Outer Low Temperature Isotropie Layer) bei Temperaturen unterhalb 13000C. Folglich wird eine Diffusion von Uran über Gasphase in Pyrokohlenstoffschichten (Coating contamination) vermieden.
Mit 200 KW Anschlusswert für Drehstrom ist eine relativ hohe Leistung installiert, damit Temperaturen bis ca. 18000C erreicht werden. An der Anlage sind die wichtigen Prozessparameter, Druck, Gasflüsse und Temperatur regelbar. Die Gasflüsse werden elektronisch durch einen Mass Flow-Controller (MFC) geregelt. Außerdem ist sichergestellt, dass bei einer unzulässigen Veränderung der Betriebsparameter, wie z.B. Druck, Temperatur oder Kühlung, die Anlage selbsttätig in eine sichere Stellung umgeschaltet wird. Die Anlage ist mit einer menügeführten PC-Steuerung ausgestattet. Rezipient ist ein doppelwandiger, wassergekühlter, senkrecht stehender Zylinder. Der Rezipient ist für einen zulässigen Betriebsdruck von 0 bis 1 ,4 bar ausgelegt und hat außer den Elektro- und Kühlanschlüssen alle notwendigen Anschlüsse für eine optische Beobachtung und pyrometrische Temperaturmessung im oberen Deckelflansch sowie Gaszuführung und Thermoelementdurchführung am unteren Deckelflansch. Die Gaszuführung erfolgt über eine wassergekühlte Düsenlanze aus Edelstahl, die konisch in den Ausströmboden mündet.
Die Temperaturmessung an der Anlage erfolgt über seitlich eingebrachte vier bis fünf Messstutzen. Hier können wahlweise Thermoelemente, Strahlungspyrometer oder Infrarotmessgeräte eingesetzt werden. Die beiden wassergekühlten Deckel unten und oben sind schwenkbar, geflanscht und können zum Ein- und Ausbau von Graphiteinbauten (Konus und Reaktionsrohr) bzw. zur Entnahme von Partikeln geöffnet werden.
Die UO2-Brennstoffkerne mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einer Dichte von 10,4 g/cm3 werden vierfach beschichtet, zunächst mit einer Pufferschicht aus Pyrokohlenstoff (Dicke 95μm, Dichte von 1 ,05 g/cm3), dann mit einer dichten Pyrokohlenstoffschicht (Dicke 40 μm, Dichte 1 ,90 g/cm3), anschließend mit einer dichten SiC-Schicht (Dicke 35 μm, Dichte 3,19 g/cm3) und abschließend mit einer dichten Pyrokohlenstoffschicht (Dicke 40 μm, Dichte 1 ,90g/cm3).
Im Produktionsmaßstab ist vorgesehen, 10 kg Chargen, bezogen auf den Schwermetallgehalt, in Anlagen mit einem 400 mm Innenrohrdurchmesser zu beschichten. Nach der Beschichtung werden die Teilchen der 20 Beschich- tungschargen getrennt voneinander gesiebt und zusätzlich gemäß DE 10144352A1 einem Auftriebsvorgang unterzogen.
Dabei werden die Teilchen mit Über- und Unterkorn, sowie die Teilchen mit geometrischen Dichten d <2,97 g/cm3 und d >3,49 g/cm3 von der Soll-Fraktion abgetrennt. Hierfür können bei dem Auftriebsvorgang die Flüssigkeiten von Tetrabromethan mit einer Dichte von 2,97 g/cm3 und Bariumtetrajodmercurat mit einer Dichte von 3,49 g/cm3 eingesetzt werden. Der Anteil der abgetrennten beschichteten Teilchen durch Sieben und Flotieren ist relativ gering und beträgt weniger als 5 Gew. %.
Fertigung der BE-Kugeln gemäß Vergleichsbeispiel - Herstellung des Graphitpresspulvers Das Graphitpresspulver besteht aus:
- 64 Gew. % Naturgraphit mit der Bezeichnung FP der Firma Kropfmühl, Schüttdichte 0,4 g/cm3, Korndichte 2,26 g/cm3, BET-Oberfläche 2 m2/g.
Kristallitgröße Lc = 100 nm, mittlerer Korndurchmesser 10 bis 20 μm, Aschegehalt 200 ppm und Bor-Äquivalent aus den Verunreinigungen der Asche < 1 ppm.
- 16 Gew. % graphitiertem Petrolkoks mit der Bezeichnung KRB <0,1 mm der Firma Ringsdorff, Graphitierungstemperatur > 300000C. Schüttdichte 0,65 g/cm3, Korndichte 2,2 g/cm2, BET-Oberfläche 1 ,2 m2/g, Kristallitgröße Lc = 60 nm, mittlerer Korndurchmesser 30 bis 40 μm, Aschegehalt 10 ppm und Bor- Äquivalent aus den Verunreinigungen der Asche < 1 ppm.
- 20 Gew. % Phenolformaldehyd harz vom Typ Novolak mit der Bezeichnung 4911 der Firma Bakelitte, Kondensationsmittel HCl, Molekulargewicht 690, Erweichungspunkt 1010C, pH-Wert = 6, Säurezahl = 7,5, freies Phenol 0,12 Gew. %, Koksausbeute 50 %, Löslichkeit in Methanol 99,97 Gew. %, Aschegehalt 160 ppm und Bor-Äquivalent aus den Verunreinigungen der Asche < 1 ppm.
Zur Anhebung des Molekulargewichts wurde das Harz nach der Kondensation einer Wasserdampf- Destillation unterzogen.
Die Natur- und Elektrographitpulver werden im Gewichtsverhältnis 4 : 1 trocken im Lödige-Mischer homogenisiert. Parallel dazu wird das Phenolharz in Methanol aufgelöst. Beim Auflösen beträgt das Gewichtsverhältnis Harz : Methanol
1 ,25 : 2,3.
Das Graphitpulvergemisch und das im Methanol gelöste Harz werden in den 100 I großen Kneter der Firma Werner und Pfleiderer überführt. Aus gesundheit- lichen Gründen kann das Methanol durch denaturiertes Ethanol ersetzt werden. Die Sigma-Schaufeln des Kneters können zu- und auseinander bewegt werden. Nach dem Kneten (1/2 Stunde rechts und 1/2 Stunde links) wird das Knetgut durch Extrusion auf einen Bandtrockner herausgedrückt und bei 1050C getrock- net. Das verdampfte Methanol (Ethanol) wird zurückgeführt. Nach dem Trocknen wird das Knetgut mit einer Hammermühle gebrochen (Siebeinstellung 1 mm), dann homogenisiert und gelagert. Alle Geräte sind Ex-geschützt und in VA-Qualität auszuführen.
Zur Herstellung von einem Los, bestehend aus 12.600 BE Kugeln sind insgesamt 32 Knet-Chargen mit je 83 kg Graphitpresspulver und einem Gesamtgewicht von 2.655 kg erforderlich. Die 32 Knetchargen in einem Nauta-Mischer mit 5 m3 Volumen homogenisiert und gelagert.
Zur Herstellung der BE-Kugeln mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit und einer 3 mm dicken brennstofffreien Schale werden von 32 Knetchargen 10 getrennt voneinander geknetet und homogenisiert. Der Gehalt des untergekneteten SiCh- Pulvers beträgt 83,4 Gew. % bezogen auf das Binderharz. Das entspricht einem Volumenanteil in der 3 mm dicken Kugelschale von 6,8 %.
Umhüllen der beschichteten Teilchen mit Graphitpresspulver gemäß Vergleichsbeispiel
Das Umhüllen der Teilchen erfolgt in einer rotierenden Trommel nach Art eines Dragierverfahrens. Die Chargengröße nach dem Splitting A beträgt nominell 11.136,36 g UO2 entsprechend 34.000 g beschichtete Teilchen. Diese werden in drei Umhüllungschargen mit je 12.000 g Graphitpresspulver umhüllt. Das Presspulver wird in die rollende Schüttung von beschichteten Teilchen hineingege- ben, wobei die Zerstäubung von Alkohol unter Druck ohne Luftbeimischung erfolgt. Der Luftdüsen-Durchmesser beträgt abhängig von der Luftfeuchtigkeit 1 ,5 bis 2 mm.
Nach dem Umhüllen werden die beschichteten Teilchen analog dem Knetgut auf einem Bandtrockner bei 1050C getrocknet. Anschließend werden die unrunden Teilchen oder Zwillinge auf einer Vibrationsplatte abgetrennt. Die Umhüllung der abgetrennten Teilchen wird durch Auswaschen in Methanol abgelöst und die zurück gewonnenen Teilchen der Nachfolgecharge zurückgeführt.
Pressen der BE-Kugeln
Ausgangskomponenten sind die umhüllten beschichteten Brennstoffteilchen und das Graphitpresspulver. Die umhüllten beschichteten Teilchen werden als Viel- faches der pro Kugel benötigten Menge bereitgestellt (14 g Schwermetall) und in einem rotierenden Zellenspeicher in Einzelportionen aufgeteilt. Jede der 71 Zeilen kann durch eine Bodenklappe einzeln entleert werden. Der Portionenteiler besteht aus zwei Zellenspeichem, von denen jeweils einer in der Aufteilungsposition, der andere in der Zuteilungsposition steht. Das Portionentei- lungsverfahren wird deshalb vorgenommen, weil es eine definierte Anzahl homogener Brennstoffteilchen liefert und eine hohe Summengenauigkeit ergibt. Das Graphitpresspulver für den brennstoffhaltigen Kern wird mit einer Dosierwaage nach Gewicht zugegeben.
Umhüllte beschichtete Teilchen und Graphitpresspulver fallen zusammen in einen rotierenden Vormischer, der bei Umkehr der Drehrichtung über eingebaute Schaufeln entleert wird.
Die Herstellung des partikelhaltigen Brennelementkerns erfolgt auf einem Schaltdrehteller mit 8 Positionen. In Position 9 wird die Gummiform zum Füllen zusammengesetzt. Vom Vormischer fällt das Pressgut in die Gummiform in Position 10. Die Gummiform besteht aus einem Unterteil und Oberteil und ist von einer Stahlform umgeben. Die Stahlformen sind auf dem Schaltdrehteller zum Teil drehbar angebracht. In Position 11 bis 13 rotiert die Form langsam, dabei taucht gleichzeitig ein in die entgegengesetzte Richtung rotierender Quirl in die Form ein und erzeugt eine homogene Verteilung der Brennstoffteilchen im Presspulver. In Positionen 11 , 12, und 13 taucht der rotierende Quirl ein bzw. auf und wird in Position 13 herausgeklappt. In Position 14 wird die Gummiform durch den an dem hydraulisch betätigten Oberstempel der Presse befestigten Gummideckel geschlossen und das Pressgut bei einem Pressdruck von 3 und 10 MPa zu einem hantierfähigen Brennstoffkern vorgepresst. Der Unterstempel der Stahlform sitzt auf einer Ringfeder . Die Hubhöhe ist so bemessen, dass beim Zusammenpressen diese mit der Hubhöhe des Oberstempels übereinstimmt. Der Rahmen der Presse ist U-förmig ausgebildet und umgreift den Schaltdrehteller mit den Matrizen.
Nach dem Vorpressen wird das Formoberteil der Gummiform mit einem Saugluftheber abgenommen und in Position 9 zur Neufüllung der Form geschwenkt. Ein Polypgreifer fasst den vorgepressten Kugelkern und hebt ihn an. Nachdem das Oberteil wieder in Position 9 zurückgeschwenkt und aufgelegt ist, läuft die Gummiform zur Neufüilung in Position 10.
In den beiden ersten Positionen 25 und 26 eines zweiten synchron arbeitenden Schaltdrehtellers mit ebenfalls 8 Positionen wurde zwischenzeitlich die untere Hälfte der brennstofffreien Schale eingeformt. Der Polypgreifer schwenkt vom anderen Schaltdrehteller herüber und setzt den angehobenen Kugelkern ein. In Position 28 wird das Formoberteil mit einem Saugluftheber aufgelegt. Das Presspulver für die obere Schalenhälfte wird in Position 29 unter Rotation eingefüllt. Die Presse in Position 30 trägt ebenfalls den Deckel zum Schließen der Form am Oberstempel. Der Pressdruck liegt im Bereich zwischen 10 und 30 Mpa. In Position 31 hebt ein Saugluftheber das Formoberteil ab, er schwenkt zurück zur Position 28 und legt es dort wieder auf. In Position 32 wird die vorge- presste Kugel mit einem Saugluftgreifer entnommen und über eine geeignete Fördereinrichtung zur Hochdruckpresse gebracht. Die Hochdruckpresse mit einer Presskraft von etwa 250 Tonnen besteht aus einem oberen und einem unteren Stempel sowie einer Stahimatrize mit 10 cm Innendurchmesser, wobei die beiden Stempel hydraulisch angetrieben werden. An der Stirnfläche der Stempel sind Kugelkalotten aus Silikongummi mit einer lösbaren Knöpfverbindung befestigt. Die Gummikalotten sind so bemessen, dass bei einem Außendurchmesser von 10 cm und einer angepassten Kugelhöhlung der nachgepress- ten BE-Kugeln von ca. 7 cm auf die Enddichte fertig gepresst werden.
Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren erfolgt das automatisierte Pressen der BE-Kugeln in zwei aufeinander folgenden Stufen, nämlich einer ersten Phase des Vor- und Nachpressens, der sich eine dritte Phase des Fer- tigpressens anschließt.
Überdrehen der BE-Kugeln des Vergleichsbeispiels (Machining)
Nach dem Pressen werden die BE-Kugeln auf den Solldurchmesser überdreht. Dabei wird die Schrumpfung der Kugeln bei der Wärmebehandlung berücksichtigt. Zum Überdrehen der Kugeln wird eine relativ kleine handelsübliche Drehbank umgerüstet. Die Kugelaufnahme erfolgt durch zwei links und rechts angeordnete Stahlkalotten mit je einer Gummimanschette. Zwischen den Kalotten befindet sich ein um 90° schwenkbares Abdrehwerkzeug mit einem Schneid- plättchen aus Diamant, um den Verschleiß beim Abdrehen praktisch auszuschließen. Die Kugeln werden zunächst durch Vakuumsaugung in der rechten Kalotte festgehalten und zur Hälfte abgedreht. Nach dem Positionswechsel von der rechten in die linke Kalotte erfolgt das Abdrehen der zweiten Kugelhälfte. Die beiden Kalotten und das Werkzeug werden in einem an eine Absaugvorrich- tung angeschlossenen Kasten aus Plexiglas untergebracht. Das abgedrehte Material wird dem Graphitpulver zurückgeführt. Der Abdrehzyklus (Taktzeit/Kugel) beträgt ca. 20 Sekunden.
Wärmebehandlung der BE-Kugeln
Zum Verkoken des Phenolformaldehyd-Binderharzes werden die BE-Kugeln in Inertatmosphäre, vorzugsweise Argon, in einem Umwälzofen auf ca. 85O0C erhitzt. Die Chargengröße beträgt 1.000 BE-Kugeln. Der Aufheiz- und Abkühl- zyklus beträgt ca. 11 Stunden.
Der Umwälzofen ist ein zylindrischer Haubenofen mit innenliegender Heizung. Ein drehzahlregelbarer Heizgasventilator saugt die Ofenatmosphäre von oben nach unten durch die Kugelpackung, bläst sie über ein Chrom-Nickel- Heizregister und durch den Ringraum zwischen einem Leitrohr und dem Ofen- mantel wieder nach oben. Alle Anschlüsse und Durchführungen befinden sich an der feststehenden gekühlten Bodenplatte, die auch den Chargentisch, das Heizregister und die gekühlte Gebläselagerung trägt. Isolierhaube und Rezipient benötigen keinerlei Anschlussleitungen, sie sind getrennt oder gemeinsam frei abnehmbar. Die geringe Wärmekapazität der hochwertigen keramischen Faser- isolation ermöglicht so kurze Abkühlzeiten, dass der Ofen im 12-Stunden-Zyklus betrieben werden kann. Die Betriebsspannung der Heizung beträgt 50 V, der Anschlusswert nur 14 KW. Da oberhalb des Chargentischs keinerlei kalte Bauteile existieren, bleibt der Chargenbereich im Betrieb völlig sauber und im Gegensatz zu den Dragon- und HOBEG-Verkokungsöfen kondensatfrei. Die Ablei- tung der Crackprodukte erfolgt rasch und praktisch ohne Sekundärpyrolyse.
Zusätzlich zur Temperaturregelung ist der Ofen mit sechs Thermoelementen und je einer Vorrichtung zur Messung der flüssigen und gasförmigen Crackprodukte ausgerüstet. Alle Messgrößen werden in elektrische Signale umgeformt und auf einem 6-Farben-Punktschreiber registriert. Nach dem Verkoken werden die BE-Kugeln im Vakuum (<10 ~2mbar) bei ca. 20000C ausgeglüht. Dabei reagiert das untergemischte SiÜ2 mit dem Binderkoks selektiv zu SiC gemäß DE-102006040309.
Das Ausglühen erfolgt in einem für den kontinuierlichen Betrieb ausgelegten Induktionsofen.
Erfindungsgemäßes Beispiel
BE-Kugel mit getrennter Spalt- und Brutstoffanordnung
Die BE-Kugel von 60 mm Durchmesser aus A3 Graphitmatrix besteht aus einem Kern von 48 mm Durchmesser. Der Kern enthält vorwiegend den Brutstoff Th o- rium in Form von TRISO beschichteten Teilchen und ist von einer 3 mm dicken spaltstoffhaltigen Schicht umschlossen. Der Spaltstoff liegt ebenfalls in Form von TRISO beschichteten Teilchen aus UO2 niedriger Urananreicherung oder spaltbaren Plutonium-Isotopen vor. Die Außenschale von 3 mm Dicke ist brennstofffrei und besteht aus A 3 Graphithmatrix.
Analog der Standard-BE-Kugel im Vergleichsbeispiel wird der beim Verkoken gebildete Binderkoks zu SiC überführt.
Der brutstoffhaltige Kugelkern und die spaltstoffhaltige Schicht sowie die brenn- stofffreie Schale sind übergangslos durch Pressen miteinander verbunden und bilden eine Einheit. Der Kugelkern enthält 31 g Thorium und 1 ,7 g Uran als <U,Th)θ2 beschichtete Teilchen und die Spaltstoffschicht 4,6 g Uran als UO2 Teilchen. Das Uran im Kern und in der Schale ist zu 17% an U-235 angereichert. Um den negativen Temperaturkoeffizienten aufrecht zu erhalten, werden 27% der U-235 aus der Spaltstoffschicht in den Kugelkern verlagert. Der Kerndurchmesser der beschichteten UO2 und (U,Th)θ2 Teilchen beträgt 500 μm.
Analog der Standard-BE-Kugel im Vergleichsbeispiel werden die Teilchen mit Pyrokohlenstoff und Siliziumcarbid vierfach beschichtet. Die Anzahl der Teilchen in der Spaltstoffschicht beträgt 12.180 und in dem Kugelkern 68.840, was einer von der Herstellung und Bestrahlung her erprobten Volumenbeladung von 35 % entspricht.
Das wesentliche Merkmal der vorgeschlagenen BE-Kugel besteht in der getrennten Anordnung des Brutstoffes im Kugelkern und des Spaitstoffes in der Schicht. Die getrennte Anordnung von Spalt- und Brutstoffes innerhalb einer Kugel und ein hohes Verhältnis von Thorium zu Uran-235 von etwa 30 begünstigen die Bildung von Uran-233 aus Thorium und die Bildung von spaltbaren Plutonium-Isotopen aus Uran-238. Das aus Thorium zu Uran-233 konvertierte Uran ist ein wertvoller Spaltstoff und zeichnet sich durch hohe ή-Werte aus. Mit 2,21 ή -Wert für Uran-233 liegt er deutlich höher als der η-Wert von Uran-235 von 1 ,95.
Zum „Begin of Life" (BOL) wird die Wärme vorzugsweise in der spaltstoffhaltigen Schicht der Kugel erzeugt. Mit dem zunehmenden Abbrand von Uran-235 baut sich das aus Thorium konvertierte Uran-233 im Kugelkern auf. Folglich wird die Wärmeerzeugung von der Spaltstoffschicht in den Brutstoffkern schrittweise verlagert und das „Burning in Place" von Uran-233 und von spaltbaren Plutoni- um-lsotopen zunehmend gesteigert. Der dadurch erzielbare hohe Konversionsfaktor, verbunden mit den günstigen ή-Werten von Uran-233 ermöglicht eine um etwa den Faktor 2 längere Verweilzeit der BE-Kugeln im Reaktor. Folglich wird der Bedarf an Uran -235 bzw. an BE-Kugeln halbiert. Bis auf einen zusätzlichen Fertigungsschritt zum Umpressen des Brutstoffkerns mit der spaltstoffh altigen Schicht bleiben alle weiteren Schritte beibehalten, so wie bei der Herstellung von Standard-BE-Kugeln im Vergleichsbeispiel beschrieben.
Das in dem von ALD weiterentwickelten Verfahrenskonzept zur Herstellung von Standard und fortschrittlichen BE-Kugeln zeichnet sich durch sehr niedrige Werte für freies Uran aus. Mit einem Wert von ca. 3 x 10~6 für freies Uran (U- frei/U-total) liegen die im Rahmen der Entwicklung ermittelten Werte um nahezu zwei Zehner-Potenzen niedriger ais der Spezifikationswert für AVR- und THTR BE-Kugeln. Dieser niedrige Wert wird erzielt durch den Einsatz von:
- TRISO beschichteten Teilchen (SiC)
- Herabsetzung der Beschichtungstemperatur unter 15000C und - Flotation bei der Verarbeitung von beschichteten Teilchen.

Claims

Ansprüchθ
1. Brennelement mit einem Kern, einer den Kern umgebenden Schicht und einer Außenschale, wobei der Kern einen Brutstoff enthält und die ihn umgebende Schicht einen Spaltstoff enthält.
2. Brennelement nach Anspruch 1 , wobei der Brutstoff Thorium umfasst.
3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spaltstoff Uran oder Plutonium umfasst.
4. Brennelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brutstoff in Form von beschichteten Teilchen vorliegt.
5. Brennelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spaltstoff in Form von beschichteten Teilchen vorliegt.
6. Brennelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü- che, wobei die beschichteten Teilchen einen Kern aufweisen, der mit
Pyrokohlenstoff und Siliziumcarbid beschichtet ist.
7. Brennelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennelement eine Graphitmatrix aufweist.
8. Brennelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Graphitmatrix Naturgraphit und Elektrographit umfasst.
9. Brennelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü- che, wobei die Außenschale brennstofffrei ist.
10. Verfahren zur Herstellung der Brennelemente gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, mit den Schritten: a. Pressen des brutstoffhaltigen Kernes, b. Umpressen des Kerns mit der spaltstoffhaltigen Schicht und c. Umpressen des Kernes und der spaltstoffhaltigen Schicht mit dem
Material der Außenschale.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Material der Außenschale Graphit, ein Binderharz und Siliziumdioxid aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die das Brennelement erhitzt wird und das Siliziumdioxid dadurch zu Siliziumcarbid umgesetzt wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der brutstoffhaltige Kern durch Verpressen einer Mischung erhalten wird, die beschichtete Brutstoffteilchen enthält.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die spaltstoffhaltige Schicht durch Verpressen einer Mischung er- halten wird, die beschichtete Spaltstoffteilchen enthält.
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