DE1055704B

DE1055704B - Brennstoffelemente fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1055704B
Application number: DED26639A
Authority: DE
Inventors: Dr Alfred Boettcher
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1957-10-16
Filing date: 1957-10-16
Publication date: 1959-04-23
Also published as: FR1215673A; GB892341A; BE571786A; CH368551A

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, Brennstoffelemente aus Uranmetall und -legierungen, umhüllt mit einer gegenüber dem Kühlmitte! korrosionsbeständigen Hülse, in Kernreaktoren zu verwenden. Diese Brennstoffelemente haben jedoch schwerwiegende Nachteile. Einerseits ist die Betriebstempeiratur im Brennstoff durch die Alpha₁-Beta-Transformation bei 660° C begrenzt. Wenn diese Temperatur überschritten wird, kommt es infolge der Dichteunterschiede der Alpha- und Beta-Phase zu sehr starken inneren Spannungen, die ein Aufreißen der Uranstäbe und meistens auch der Hülsen zur Folge haben, Dabei kann das Kühlmittel ungehindert mit dem Uran reagieren, wodurch sich das Brennstoffelement so stark verformt, daß es sich in vielen Fällen nur noch mit großer Mühe aus dem Kühlkanal entfernen läßt. Andererseits lassen Formänderungen orthorhombisch kristallisierenden Alpha-Urans sich bei Temperaturweohsel und Neutronenbestrahlung nur schwer vermeiden, insbesondere wenn in dem Metall eine Textur vorliegt.

Wesentlich günstigere Korrosionseigensehaften — insbesondere gegenüber heißem Wasser — haben Brennelemente, die Uranoxyd als Brennstoff enthalten. Das Kristallgitter des Uranoxyds ist bis zum Schmelzpunkt von, 2850° C stabil. Es treten deshalb die beim Uranmetall genannten Schwierigkeiten nicht auf. Dagegen ist die Wärmeleitfähigkeit von Uranoxyd wesentlich schlechter als die des Metalls, wodurch sich Stäbe aus Uranoxyd mit einem Durchmesser von 5 bis 10 mm während des Betriebes im Reaktor sehr stark erhitzen und unter Umständen diese Schmelztemperatur des Oxyds in ihrem Zentrum erreichen. Wenn bei einem mit solchen Brennstoffelementen ausgerüsteten Reaktor plötzlich die Kühlung ausfällt, so muß man, selbst wenn er sofort abgeschaltet wird, damit rechnen, daß sich die Brennstoffelemente infolge des Temperaturausgleicbes an der Oberfläche auf 1000 bis 1800° C erwärmen, wodurch die Korrosion des Hülsenmaterials mit dem Kühlmittel in verstärktem Maße einsetzt und die Brennelemente im allgemeinen zerstört werden. Bei Verwendung von natürlichem Uran macht sich die niedrige Dichte von etwa 10,0 g/cm³ des gesinterten. Uranoxyds sehr nachteilig bemerkbar, und außerdem bedingt die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Uran,-oxyds dünne Stäbe als Brennstoffelemente. Folgerichtig nimmt der prozentuale Anteil des Hülsenmaterials wesentlich zu, und die Neutronenökonomie wird immer ungünstiger.

Auch Brennelemente aus Uranmonocarbid sind für gasgekühite Kernreaktoren bereits vorgeschlagen worden. Das Uranmonocarbid bat gegenüber dem Uranmetall den Vorteil, daß sein Kristallgitter bis zum Schmelzpunkt von 2300° C stabil bleibt und

Brennstoffelemente für Kernreaktoren

Anmelder:

Deutsche Gold- und Silber-Sctieideanstalt vormals Roessler,
Frankfurt/M. Weißfrauenstr. 9

Dr. Alfred Boettcher, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt worden

wegen seiner kubisch flächenzentrierten Struktur weitgehend gegenüber Temperaturwechsel und Bestrahlung durch Neutronen stabil bleibt. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit des Urancarbids wesentlich besser als z. B. die des Oxyds. Ein wesentlicher Nachteil des Uranmonocarbids ist jedoch seine sehr schlechte Korrosionsbeständigkeit gegenüber heißem Wasser, wodurch seither die Verwendung dieses Brennstoffes auf gasgekühlte Reaktoren beschränkt blieb. Zum Teil kann die schlechte Korrosionsbeständigkeit auch auf einen geringen Anteil· Uranmonocarbid zurückzuführen sein, in dem der Kohlenstoff salzartig gebunden ist. Das Dicarbid ist sogar ausgesprochen wasserzersetzlieh und bildet Acethylen.

Es wurde daher schon vorgeschlagen (R. Kieffer, Planseebericfate, Aprill 1957), Urainmonocarbid durch Legieren mit Carbiden der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems chemisch zu stabilisieren. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß verhältnismäßig große Mengen an fremden Carbiden zugesetzt werden müssen, wodurch sich die Konzentration des Spaltstoffes, sehr erniedrigt - und die Neutronenökonomie verschlechtert. Für solche Brennelemente kann deshalb nur ein Brennstoff, der mit dem Isotop U-235 oder einem anderen Spaltstoff angereichert ist, verwandt werden. Der Verwendung von natürlichem Uranmonocarbid in legierter Form für diese Brennstoffelemente stehen die bei der dadurch notwendigen Vergrößerung des Reaktor-Cores auftretenden Schwierigkeiten entgegen.

Bei den Brennstoffelementen gemäß der Erfindung ist zwischen der Hülse und dem Formkörper eine auf dem letzteren festhaftende, vorzugsweise dünne und gegen Wasser korrosionsbeständige Schutzschicht aus Carbiden bzw. Siliziden der Elemente der IV. bis VI. Gruppe, vorzugsweise der IV. und V. Gruppe des

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Claims

Periodischen Systems, einzeln oder im Gemisch angeordnet. Solche Brennstoffelemente verbinden die gute Wärmeleitfähigkeit und die relativ hohe Dichte des Uranmonocarbids sowie die durch die Kristallstruktur bedingte Formstabilität bei Temperaturwechsel und Neutronenbestrahlung mit einer hinreichenden Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasser. Die Schutzschichten können auch zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit der Hülse des Brennstoffelementes verlötet werden. Dadurch wird außerdem bei einer Undichtigkeit der Hülse die KorTosionsgeschwindigkeit noch erheblich herabgesetzt, selbst dann, wenn nach längerer Bestrahlungsdauer das Uranmonocarbid infolge der Spaltprodukte sein Volumen etwas vergrößert hat (swelling) und in der Schutzschicht kleine Risse aufgetreten sind. Es bleibt in solchen Fällen noch hinreichend Zeit übrig, um nach dem Anzeigen der in das Kühlmittel eingedrungenen radioaktiven Spaltprodukte durch die Kontrollinstrumente den Reaktor abzuschalten und das Brennstoffelement herauszunehmen, bevor ein katastrophaler Schaden des Brennstoffelementes einsetzt, der einen längeren Stillstand des Reaktors zur Folge hat. Die Erfindung ist nicht allein auf den Brennstoff Uranmonocarbid in natürlicher oder angereicherter Form beschränkt, sondern es können an Stelle des Uranmonocarbids andere Spaltstoffe, wie Plutoniummonocarbid und der Brutstoff Thoriummonocarbid auch in beliebiger Mischung, eingesetzt werden. Auch Bindemittel, wie z. B. Nickel, werden für die Formkörper vorteilhaft verwandt. Hafniumcarbid und Tantalcarbid, die einen zu großen Einfangquersehnitt gegenüber thermischen Neutronen haben, fallen als Schutzschicht aus. Die carbidischen Schutzschichten können zur besseren Haftung und Stabilität gegen Temperaturwechsel sowie zur Sintererleichterung metallische Bindemittel, wie Beryllium, Magnesium, Aluminium, Silizium, Titan, Vanadin, Zirkon, Niob, Molybdän und Wismut, sowie vor allem Nickel, Eisen und Chrom in Mengen von 1 bis 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise 5 bis 15 Gewichtsprozent, enthalten. Bei den Silizium-Carbid-Schutzschichten wird in vorteilhafter Weise Silizium in den gleichen Prozentsätzen zugesetzt sowie ein verkohlbares Bindemittel. Carbid und Silizid werden nach bekannten Verfahren auf den Brennstoff-Formkörper aufgebracht. Die Schutzschicht selbst kann gleichzeitig mit dem Sintern des Brennstoff-Formkörpers oder auch in einem besonderen Arbeitsgang aufgebracht werden. Beim gleichzeitigen Sintern des Brennstoff-Formkörpers mit der Schutzschicht bildet sich in günstigster Weise eine Diffueionsschicht zwischen den beiden Medien aus, wodurch eine vorzügliche Haftung der Schutzschicht erreicht wird. Besonders günstig haben sich Schutzschichten aus Zirkonmonocarbid und Niobmonocarbid bewährt, die beide mit Uranmonocarbid beim Sintern Mischkristalle bilden. Ferner können Silizide der IV. bis VI. Gruppe, vorzugsweise der V. und VI. Gruppe des Periodischen Systems, mit Ausnahme von Hafnium- und Tantalsilizid, als Schutzschichten auf dem Brennstoff-Formkörper aufgebracht werden; auch gewisse Uransiliziumverbindungen, wie USi2 und U3Si, vermitteln einen guten Schutz. Besonders für hohe Betriebstemperaturen wird man die Korrosionsbeständigkeit der Brennstoffelemente noch verbessern wollen. Das gelingt durch. Aufbringen mehrerer Schutzschichten. Patentansprüche:

1. Brennstoff- und/oder Brutstoffelemente für Kernreaktoren, bestehend aus einem oder mehreren Uranmonocarbid- und/oder Plutoniummonocarbid und/oder Thoriummonocarbidformkörpern in natürlicher oder angereicherter Isotopenzusammensetzung mit einer korrosionsbeständigen und dichten Schutzhülse, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Hülse und Formkörper eine auf dem letzteren festhaftende, vorzugsweise dünne und gegen Wasser korrosionsbeständige Schutzschicht aus Carbiden bzw. Siliziden der Elemente der

IV. bis VI. Gruppe, vorzugsweise der IV. und

V. Gruppe des Periodischen Systems, einzeln oder im Gemisch angeordnet ist.

2. Brennstoff- und/oder Brutstoffelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Siliziumcarbid im Gemisch mit Silizium besteht.

3. Brennstoff- und/oder Brutstoffelemente nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Carbiden bzw. Siliziden metallische Bindemittel, z. B. Eisen, Nickel, Chrom, Beryllium, Aluminium, Titan, Vanadin, Zirkon, Niob, Molybdän, Silizium und Wismut, in Mengen zwischen 1 bis 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise 5 bis 15 Gewichtsprozent, zugesetzt sind.

4. Brennstoff- und/oder Brutstoffelemente nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus mehreren Schichten besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 015 952;
britische Patentschrift Nr. 778 881.

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