DE1030475B - Brennstoff-Element mit roehrenfoermigem Brennkoerper und metallischem Aussenmantel fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoff-Elemente für Kernreaktoren und insbesondere auf jene Gattung der Brennstoff-Elemente, die einen an spaltbarem Material sehr stark angereicherten Brennstoff-Inhalt oder Brennkörper (im Nachfolgenden als Brennkörper bezeichnet) haben.

Bei Kernreaktoren, in denen Brennstoff-Elemente mit stark angereicherten Brennkörpern verwendet werden, besteht die Gefahr, daß durch das Schmelzen einiger Brennstoff-Elemente das Auftreten einer überkritischen Masse hervorgerufen wird, so daß eine Atomkernexplosion stattfindet. Eine derartige Situation könnte beispielsweise durch das vollständige Ausbleiben bzw. den Verlust des Kühlmittels vom Reaktorkern her verursacht werden bzw. entstehen.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Brennstoff-Element geschaffen, welches so eingerichtet ist, daß es bei übernormalen Temperaturbedingungen ausfällt, so daß der Brennkörper ausgeschieden wird, und zwar vom benachbarten Brennstoff-Element hinweg, um die Bildung einer überkritischen Masse zu verhindern.

Die Erfindung geht aus von einem bekannten röhrenförmigen Brennkörper mit metallischem Außenmantel und besteht darin, daß der röhrenförmige Brennkörper mit einem inneren Mantel versehen ist, der aus einem anderen Werkstoff als der Außenmantel gebildet ist, so daß er bei einer niedrigeren Temperatur zusammenbricht als der Außenmantel, um auf Grund der Schwerkraft wenigstens einen Teil des Brennkörpers abzulassen bzw. ausscheiden zu lassen, wenn im Element vorbestimmte Temperaturbedingungen überschritten werden.

Im nachfolgenden werden drei Verfahren beschrieben, durch welche erzielt wird, daß der Innenmantel zeitlich vor dem Außenmantel zusammenbricht.

Verfahren 1

Es wird für den Innenmantel ein Werkstoff verwendet, welcher sich von dem des Außenmantels unterscheidet und so ausgewählt ist, daß beim Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur der Brennkörper und der Innenmantel nach anfänglicher Diffusion in festem Zustand eine geschmolzene Legierung bilden, während bei oder in der Nähe der vorbestimmten Temperatur keine Reaktion mit dem Außenmantel' auftritt. Bei Ausführungsbeispielen, bei welchen dieses Verfahren zur Anwendung kommt, wird eines der nachfolgenden wärmebeständigen Metalle, wie Wolfram, Zirkon, Molybdän, Titan, Tantal oder Niobium, als Werkstoff für den Außenmantel, und Vanadium, Chrom oder Nickel als Werkstoff für den Innenmantel verwendet, welch letztere mit Uran jeweils bei ungefähr 1040, 860 und 750° C ein Eutekti-Brennstoff-Element mit röhrenförmigem

Brennkörper und metallischem

Außenmantel für Kernreaktoren

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy
Authority, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen (Westf.), Oranienstr. 14

James William Kendall, Warrington, Lancashire,

und Charles Ronald Tottle, London (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt worden

kum bilden. Als Alternative der reinen Metalle können für den Innenmantel entweder einer der nichtrostenden Stähle, einer der 80:20-Nickel-Chrom-Werkstoffe von hoher Kriechfestigkeit bei hoher Temperatur oder ein Zweischichtenwerkstoff, welcher mit dem Brennkörper ein geeignetes ternäres Eutektikum bildet, verwendet werden. Eine Molybdän-Nickel-Zweischichtenkombination mit einem Uran-Brennkörper bildet ein Eutektikum mit dem Uran bei ungefähr 1000 bis 1100° C. Das Molybdän ist so angebracht, daß es an das Uran angrenzt.

Verfahren 2

Der Innenmantel ist aus einem Einzelwerkstoff, welcher bei einer geeigneten Temperatur schmilzt, oder aus einem Zweischichtenwerkstoff hergestellt, welcher bei einer geeigneten Temperatur ein binäres Eutektikum bildet. Der Außenmantel ist so ausgewählt, daß er seine Widerstandsfähigkeit, wie im Verfahren. 1 oben, beschrieben, beibehält. Die zu wählende Temperatur für das Zusammenbrechen des Innenmantels ist von der Natur des Außenmantels und von der Natur des Brennkörpers abhängig. Um sicherzustellen, daß der Außenmantel nicht zusammenbricht, bevor dem Brennkörper genügend Zeit gegeben ist, um am Außenmantel entlang ausgeschieden zu werden, ist es erforderlich,- daß die Zusammenbruchstemperatur des Außenmantels um 200° C höher liegt als die des Innenmantels. Um· sicherzustellen, daß der Innenmantel nicht zusammenbricht, ohne fast unmittelbar danach den Bren-nkÖrper auszuscheiden,

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sollte die Zusammenbruchstemperatur des Innenmantels um 50° C unter dem Schmelzpunkt des Brennkörpers liegen. Ein Beispiel für das Verfahren 2 ist ein Titan-Nickel- oder Zirkonium-Nickel-Zweischichteninnennianitel für einem Uran-Brennkörper, wobei das Titan oder Zirkon angrenzend an das Uran angeordnet ist.

Verfahren 3

11 überströmt, durch die Bohrung 23, und das Kühlmittel, welches den Außenmantel überströmt, läuft durch das Loch 42.

Das Brennstoff-Element wird zusammengebaut, indem der Außenmantel an dem einen Ende so lange um seine Achse gedreht wird, bis er mit dem Endverschluß 17 zusammenpaßt, und dann wird der Mantel

12 entlang einer Linie 19 mit dem Verschlußbauteil 17

teil 34 gehalten, welcher auf einer oberen Halteplatte (in gestrichelten Linien bei 35 angegeben) lagert. Nachbearbeitete Flächen 36 dienen dazu, daß Paßstück 29 genau in einer Bohrung 37 in der oberen 5 Halteplatte einzupassen. Ein unterschnittener Abschnitt 38 ermöglicht das Einführen eines Ausziehwerkzeuges, um das Element aus der oberen und der unteren Platte herauszuziehen. Es sind vier Löcher 39 vorgesehen, um Kühlmittel nach der Außenseite Der Innenmantel ist aus einem Werkstoff herge- io des Rohres zu bringen. Das Kühlmittel tritt durch stellt, welcher mit dem Brennkörper bei der einen ein Mundstück 40 in das obere Paßstück 29 ein und Temperatur eine Legierung eingeht, jedoch durch eine teilt sich am Ende einer Bohrung 41 im Paßstück 29, Sperrschicht, welche die Diffusion in festem Zustand und zwar tritt der eine Teil durch die Löcher 39 aus verhindert, solange daran gehindert wird, bis eine und kühlt den Mantel 12, und der andere Teil läuft höhere Temperatur erreicht wird. Ein Beispiel dieses 15 am Mantel 11 herunter. Am unteren Ende des EIe-Verfahrens wird durch ein mit Tantal überzogenes mentes läuft das Kühlmittel, welches den Innenmantel Nickelrohr geschaffen, wobei der Tantalüberzug eine
Sperrschicht von 0,025 mm Dicke bildet. Der Außenmantel ist wieder so ausgewählt, daß er seine Widerstandsfähigkeit, wie im Verfahren 1 beschrieben, bei- 20
behält.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoff-Element, bei dem das Verfahren 1 zur Anwendung kommt, soll nunmehr an Hand der es beispielsweise wiedergebenden

Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt 25 verschweißt. In den Außenmantel 12 werden dann in Fig. IA eine Schnittdarstellung des oberen Endes richtiger Reihenfolge das Dichtungsrohr 16, die röhrendes Brennstoffelementes, förmigen Brütelemente 14, der röhrenförmige Brenn-Fig. 1B eine Schnittdarstellung des mittleren Ab- körper 10 und die Molybdänscheiben 13 eingeführt, schnittes des Brennstoff-Elementes, während Das andere Ende des Mantels wird dann so· lange um Fig. 1C eine Schnittdarstellung des unteren Endes 30 seine eigene Achse gedreht, bis es mit dem Endverdes Brennstoff-Elementes wiedergibt. Schluß 27 zusammenpaßt und dann mit diesem ver-Das Brennstoff-Element weist einen angereicherten schweißt. Das Innenrohr 11 wird eingepaßt, und die Uran-Brennkörper 10 (Fig. IB) in Röhrenform, einen Endpaßstücke 18 und 19 werden jeweils über die End-Innenmantel 11 aus Vanadium und einen Außenmantel verschlüsse 17 und 29 an ihren Platz geschraubt. Das 12 aus Niobium auf. Der Brennkörper 10 ist zwischen 35 Element wird dann mit Argon durchgespült bzw. gezwei Modybdänscheiben 13 enthalten. Oberhalb und reinigt, das Argon wird abgelassen, und das Natriumunterhalb der Scheiben 13 befinden sich röhrenförmige
Brütelemente 14 aus natürlichem Uran. Ein. freier
Raum 15 (Fig. 1 A) liegt oberhalb des oberen Rohres
14. Das untere Rohr 14 lagert auf einem Dichtungs- 40
rohr 16 {Fig. 1 C) aus natürlichem Uran. Das Dichtungsrohr 16 lagert auf einem Endverschluß 17 aus
Niobium, welcher in ein Endpaßstück 18 aus nichtrostendem Stahl eingeschraubt ist. Der Niobiummantel 12 ist bei der Linie 19 an den Verschluß 17 im 45
Argonlichtbogen angeschweißt. Der Vanadiummantel
11 lagert auf dem Endpaßstück 18. Ein Ring 20, ein
Durchlaß 21 und ein verschließbares Loch 22 sind für
das Füllen des Elementes mit flüssigem Natriummetall vorgesehen, um die Wärmeübertragung vom 50 menbruch (ungefähr 1Ό Sekunden) des Vanadium-Brennkörper nach den Mänteln 11 und 12 zu verbes- Innenmantels ein, welcher eine Legierung mit dem sern. Das Endpaßstück 18 weist eine Bohrung 23, die Uran-Brennkörper bildet, der sich dann auch in der gleich der Bohrung des Mantels 11 ist, ein konisches Nähe seines Schmelzpunktes (1130° C) befindet. Bei Teilstück 24 und drei symmetrisch angeordnete ge- dem Niobium-Außenmantel ist festgestellt worden, walzte Flacheisen 25 auf. Eine Platte zum genauen 55 daß er in der Lage ist, Temperaturen bis zu 1300° C Lagern der unteren Enden der Elemente ist durch die in Gegenwart des Urans wenigstens 1 Stunde lang gestrichelten Linien 26 dargestellt. Ein Loch 42 in der auszuhalten.

Platte ist angedeutet. Die bei der Konstruktion des Brennstoff-Elementes Am oberen Ende des Brennstoff-Elementes befindet verwandten Metalle, nämlich Uran, Niobium, Vanasich ein Endverschluß 27 (Fig. IA) aus Niobium, 60 dium, Molybdän und nichtrostender Stahl, sind alle welcher entlang einer Linie 28 mit dem Mantel 12 im mit flüssigem Natriummetall oder einem Natrium-Argonlichtbogen verschweißt ist. Der Verschluß 27 — ■- — ■ —

ist in ein oberes Endpaßstück 29 aus nichtrostendem Stahl eingeschraubt. Ein Ring 30, ein Durchlaß 31 ■und offene Löcher 32 sind vorgesehen, damit das 65 flüssige Natriummetall in das Element einzutreten ■und aus diesem auszutreten vermag. Mit Gewinde versehene Löcher 33 sind in beiden Endpaß stücken für eine verriegelnde Madenschraube vorgesehen. Das

metall wird in die Löcher 22 eingeführt, welche nach Beendigung des Füllvorganges dicht verschlossen werden. Die Locher 32 bleiben offen.

Bei einem Brennkörper-Außendurchmesser von 25,4 mm und einem Innendurchmesser von 10,16 mm besteht in kaltem Zustand ein Spiel von 0,508 mm zwischen den Mänteln und dem Brennstoff. Die Dicke der Mäntel 11 und 12 beträgt ebenfalls 0,508 mm.

Das oben beschriebene Brennstoff-Element ist für einen Betrieb bei einer Temperatur von ungefähr 700° C vorgesehen, während es bei Überleistungsperioden bei 900° C beständig ist. Bei Temperaturen zwischen 1000 und 1100° C tritt ein schneller Zusam-

Kalium-Eutektikum vereinbar, welche als Kühlmittel und als Füllwerkstoff im Element zur Förderung der Wärmeübertragung verwendet werden Ίίδηηεη.

Sollten die Temperaturen in den oben beschriebenen Brennstoff-Elementen über solche Temperaturen ansteigen, die das Zusammenbrechen des Innenmantels 11 veranlassen, so wird der Brennkörper durch die Schwerkraft entlang der Innenwand des Außenmaniels

Endpaßstück 29 wird durch einen -geflanschten End- 70 ausgeschieden, wodurch sichergestellt wird, daß der

Brennkörper den Kern verläßt sowie dem neutronensparenden Einfluß des Reflektors des Reaktors entzogen wird. Dies ist warscheinlich schon an sich geeignet, das Hervorrufen von überkritischen Bedingungen zu vermeiden, jedoch wird, als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme, der ausgeschiedene Brennkörper in eine geometrische Form gebracht, die ungeeignet ist, überkritische Bedingungen zu begünstigen, wie beispielsweise die Form eines Ringes an der Basis eines konischen Deflektors oder die eines »Pfannkuchens« über einer flachen Oberfläche.

Der Deflektor wird durch ein sich nach oben verjüngendes kegelförmiges Teilstück und einen sich unmittelbar an dessen unteres Ende anschließenden Ringteil gebildet, wobei der Ringteil relativ zum kegelförmigen Teilstück so angeordnet ist, daß eine ringförmige Rinne entsteht, in welcher sich der hochgradig angereicherte Brennstoff so ausbreiten kann, daß er nicht überkritisch bzw. explosiv werden kann.

Claims (10)

20 Patentansprüche:

1. Brennstoff-Element mit röhrenförmigem Brennkörper und metallischem Außenmantel für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß der röhrenförmige Brennkörper mit einem Innenmantel versehen ist, der aus einem anderen Werkstoff als der Außenmantel gebildet ist, so daß er bei einer niedrigeren Temperatur zusammenbricht als der Außenmantel, um auf Grund der Schwerkraft wenigstens einen Teil des Brennkörpers entlang der Innenseite des Außenmantels ausscheiden zu lassen, wenn, im Element vorbestimmte Temperaturbedingungen überschritten werden.

2. Brennstoff-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel aus einem Werkstoff angefertigt ist, der so ausgewählt ist, daß beim Überschreiten der vorbestimmten Temperaturbedingungen der Brennkörper und der Innenmantel nach einer gegenseitigen Diffusion in festem Zustand, eine geschmolzene Legierung bilden.

3. Brennstoff-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel aus einem Zweischichtenwerkstoff gebildet ist, der so ausgewählt ist, daß beim Überschreiten der vorbestimmten Temperatur der Brennkörper und der Innenmantel nach einer gegenseitigen Diffusion in festem Zustand eine geschmolzene ternäre Legierung bilden.

4. Brennstoff-Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel aus einem Zweischichtenwerkstoff gebildet ist, wobei der Zweischichtenwerkstoff ein binäres Eutektikum bildet, dessen Schmelzpunkt höher als 50° C unterhalb des Schmelzpunktes des spaltbaren Brennkörpers und tiefer als 200° C unterhalb des Schmelzpunktes des Außenmantels liegt.

5. Brennstoff-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel aus einem Einzelwerkstoff gebildet ist, dessen Schmelzpunkt höher als 50° C unterhalb des Schmelzpunktes des spaltbaren Körpers und tiefer als 200° C unterhalb des Schmelzpunktes des Außenmantels liegt.

6. Brennstoff-Element nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel aus einem Werkstoff besteht, welcher eine geschmolzene Legierung mit dem Brennkörper bei der einen Temperatur bildet, und eine Sperrschicht aus einem Werkstoff aufweist, welche die gegenseitige Diffusion des Innenmantels und des Brennkörpers in festem Zustand so lange verhindert, bis eine vor· bestimmte höhere Temperatur erreicht ist.

7. Brennstoff-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkörper aus Uran und der Innenmantel aus einem der folgenden Werkstoffe gebildet ist: Vanadium, Chrom, Nickel, nichtrostender Stahl oder 80:20-Nickel-Chrom-Hochtemperaturlegierung.

8. Brennstoff-Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkörper aus Uran und der Innenmantel aus einer Molybdän-Nickel-Zweischichtenwerkstoffkombination gebildet ist, wobei das Molybdän an das Uran angrenzt.

9. Brennstoff-Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkörper aus Uran und der Innenmantel aus einer Titan-, Nickel- oder Zirkon-Nickel-Zweischichtenwerkstoffkombination gebildet ist, wobei das Titan oder Zirkon an das Uran angrenzt.

10. Brennstoff-Element nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel aus einem der folgenden Werkstoffe gebildet ist: Wolfram, Zirkon, Molybdän, Titan, Tantal oder Niobium.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschrift Nr. 754 183;

Glasstone, Principles of Nuclear Reactor Engineering, 1956, S.763;

»Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1956, Bd. 2, S. 236, 237.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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