DE1296280B - Verfahren zur Herstellung von Kernreaktor-Brennelementen mit inneren Waermeableitrippen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur diese beiden Teile aus unterschiedlichen Materialien Herstellung eines festen umhüllten Kernreaktor- hergestellt werden, kann durch eine über die gesamte Brennelements mit inneren Wärmeableitrippen an der Oberfläche des Brennstoffs reichende Rändelung oder Brennelementhülle, die in die Masse des Brennstoffs Waffelung verbessert werden, in welche die Hülle eineindringen. 5 greift und die derart vorgesehen wird, daß sie sich

Zur Verbesserung des Wärmeaustausches zwischen einem Gleiten oder Rutschen der Hülle auf den einem umhüllten Brennelement, beispielsweise aus Brennstoffstab in irgendeiner Richtung widersetzt. Uran mit eng aufgepaßter Hülle, und dem Kühlmittel Derartige innere »Erhebungen« der Hülle dienen

wird die Außenseite der Brennelementhülle mit einer keiner merklichen Verbesserung der Wärmeabfuhr Vielzahl kleiner Rippen versehen. Dadurch kann die io aus dem Innern von Brennstoffelementen. Leistungsdichte im Uran erhöht werden. Um jedoch Ziel der Erfindung ist die Herstellung von Brenn-

die Ausbildung zu hoher Temperaturen im Innern des Stoffelementen mit inneren Wärmeableitrippen, bei Urans zu vermeiden, muß man seine Masse durch denen praktisch keine Beschränkung hinsichtlich der Verwendung von Stäben mit sehr geringem Durch- Gestaltung bzw. Ausführung dieser inneren Rippen messer aufteilen oder die Schichtdicke des Urans im 15 besteht, ein möglichst guter Wärmekontakt zwischen Innern der Brennelemente verringern. Hierdurch den Wärmeableitrippen und dem Brennstoff gewährkönnen Nachteile hinsichtlich der Neutronenbilanz leistet werden kann und die in besonders einfacher oder der Wirtschaftlichkeit, z. B. durch Vervielfälti- Weise ausgeführt werden können, gung der Zahl der Brennelemente, oder Nachteile Das erfindungsgemäße Verfahren ist demgemäß

technologischer Art, z. B. durch das Verhalten von so dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der indünnen Rohren unter Druck, bedingt sein. neren Wärmeableitrippen im Brennstoff vorgesehene Aus der deutschen Auslegeschrift 1 097 049 ist Brennstoffaussparungen vor oder nach dem Aufbrinauch bereits ein Kernreaktor-Brennelement bekannt, gen der Brennelementhülle auf den Brennstoff mit bei dem eine gute Wärmeableitung aus den einzelnen einem gut wärmeleitenden Material ausgefülltwerden. Brennelementen dadurch erzielt wird, daß sich die 25 Die inneren Wärmeableitrippen sind mithin nicht nach außen vorstehenden Kühlrippen der Brenn- mehr unbedingt Bestandteil der Brennelementhülle elementhülle von der Innenoberfläche dieser Hülle selbst, sondern sie werden gesondert, aber mit her in die Brennstoffmasse hinein fortsetzen und weit- gutem Wärmeleitkontakt zur Brennelementhülle hergehend in diese eindringen. Die zweckmäßig im gestellt.

Strangpreßverfahren herzustellende Hülle oder Hülse 30 Wenn die inneren Wärmeableitrippen unabhängig solcher Brennelemente trägt also bereits vor dem Zu- von der eigentlichen Hülle erzeugt werden, können sammenbau des Elements nach beiden Seiten, d. h. Herstellungstechniken angewendet werden, bei denen nach innen und nach außen, vorstehende Rippen, ein ausgezeichneter Kontakt zwischen allen in Frage durch die der Brennstoff unterteilt wird, der Vorzugs- kommenden Wärmeübergangsflächen erreicht wird, weise in Form von einzelnen Segmenten zwischen die 35 Sie können praktisch beliebig gestaltet werden, nach innen vorstehenden Rippen der als Gerüst- Außerdem ist die Möglichkeit gegeben, für die inneelement dienenden Hülle bzw. Hülse eingebracht ren Wärmeableitrippen ein von dem Hüllenmaterial wird. __ verschiedenes Material mit möglichst guter Wärme-

Bei einer solchen Anordnung muß besonders auf leitfähigkeit zu verwenden, das den übrigen Anforein dichtes Anliegen des Brennstoffs an der relativ 40 derungen hinsichtlich der Verwendung innerhalb des kompliziert geformten Hülle oder Hülse geachtet Brennstoffelements entspricht, werden, damit der Wärmeübergang vom Brennstoff Die Brennelementhülle hat in bekannter Weise an

zum Hüllenmaterial nicht verschlechtert wird, und ihrer Außenseite Rippen, die mit dem Kühlmittel in außerdem besteht bei Brennelementen dieser Art eine Kontakt stehen. Das Metall, aus dem die Hülle beempfindliche Beschränkung hinsichtlich der Ausfüh- 45 steht, kann eine Leitfähigkeit besitzen, die bedeutend rungsmöglichkeiten einer solchen Hülle mit von innen höher (vier- bis fünfmal höher beispielsweise) als dienach außen fortgesetzten Rippen. jenige des Brennstoffs ist.

Die inneren Wärmeableitrippen sind mit den be- Die Aussparungen im Brennstoffumfang zur Aufkannten inneren »Erhebungen« von Brennelement- nähme der Wärmeableitrippen können aus dem hüllen zur Vermeidung von Verschiebungen zwischen 50 Brennstoffstab herausgearbeitet werden, während die Hülle und Brennstoff nicht vergleichbar, die zur Ab- ausfüllende Masse aus einem Metall guter Wärmeleitführung von Wärme aus dem Innern der Brennstoff- fähigkeit vor dem Aufbringen der Brennelementhülle masse kaum beitragen können, sondern dazu dienen, in fester Form eingesetzt wird, z. B. in Form von Schwierigkeiten, die infolge unterschiedlicher Wärme- Längsleisten, Kreisringteilen oder Kreisringhälften, dehnungen bei zyklisch thermischer Beanspruchung 55 Diese Anordnung von Brennstoff und zusätzlichen auftreten, zu vermeiden. Teilen wird dann in bekannter Weise mit einer Hülle

Umhüllte Kernreaktor-Brennelemente, insbeson- umgeben.

dere aus metallischem Uran mit eng aufgepaßter Diese Ausführung läßt eine Vielzahl von Anord-

Hülle, neigen bei zyklischer thermischer Beanspru- nungen zu, jedoch kann ein gewisser Temperaturchung zu Rutsch- und Dehnungserscheinungen der 60 abfall zwischen den verschiedenen Berührungsflächen Hülle. Dieser Effekt kann durch einzelne Ringnuten der aneinandergepaßten Metallteile nicht ganz verin der Brennstoffoberfläche, die über die Länge des mieden werden.

Elements verteilt sind, und in welche die Hülle unter Gemäß einer weiteren Ausführungsform des oben

Bildung der vorstehend erwähnten »Erhebungen« beschriebenen Verfahrens werden die Brennstoffauseingreift, wesentlich eingedämmt werden. Diese Ver- 65 sparungen daher mit einem Metall gefüllt, das mit ankerung zwischen Hülle und Brennstoffstab, die an demjenigen der Brennelementhülle identisch sein die bekannte Verankerung von Rippen und Schaft kann, wobei das ausfüllende Metall durch Gießen bei Wärmeaustauscherrohren erinnert, bei denen eingebracht wird.

schraubenförmig usw. sein können; dieses Element ist umgeben von einer Brennelementhülle 3 und weist innere Wärmeableitrippen 4 aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit auf, welche die Brennstoffaussparungen 2 ausfüllen und den gesamten Raum zwischen Brennstoff und Brennelementhülle einnehmen. Die Brennelementhülle besitzt in bekannter Weise äußere Rippen S, die mit dem Kühlmittel in Kontakt sind.

Dieses Element kann insbesondere durch Gießen einer flüssigen Legierung zwischen den mit Aussparungen versehenen Brennstoffstab 6 und eine zylindrische Hülle7 hergestellt werden, wie in Fig. 2 angedeutet ist. Diese Anordnung aus Brennstoffstab 6 die 15 und zylindrischer Hülle 7 wird in ein Bad der flüssigen Legierung 8 getaucht, deren Schmelzpunkt unter

Für ein solches Gießen kann eine hitzebeständige Gußform verwendet werden. Nach dem Ausformen wird die Oberfläche des gegossenen Metalls bearbeitet, und die Anordnung Brennstoff — gegossenes Metall wird dann in eine Hülle für eine bekannte Aufpreß-Umhüllung eingebracht.

Das Gießformen kann aber auch direkt zwischen Brennstoff und Hülle stattfinden, wobei die Brennelementhülle die Rolle der Gußform übernimmt. Für dieses Verfahren muß eine Legierung angewendet werden, die bei einer tieferen Temperatur schmilzt als das Hüllenmetall selbst; die Hülle wird dann direkt in das Bad aus dem zwischenzuschaltenden Metall eingetaucht.

Folgende Materialkombinationen sind für Durchführung verwendbar:

Die Legierung Al-Si für eine Hülle aus Alu- ^j^Q^^en Jf Metalls der Hülle 7 liegt. Wenn die miniumtMagnesiumlegierungen mit Zink, Nickel Julie 7 aus Aluminium besteht, kann die Legierung 8 oder Cer, die bei niedrigeren Temperaturen Jurch 4¹^¹ gebddet werdra; wenn die Hülle 7 aus schmelzen als Magnesium und bei den Reaktor- ^ao Magnesium ist, kann die Legierung 8 aus einer Legiebetriebstemperaturen fest sind, für eine Hülle ™8^von Magnesium mit Zink, Nickel oder Cer aus Magnesium. bestehen. · u _n

Wenn eine Diffusionshemmung zwischen Brenn-

Das Einbringen in flüssigem Zustand ermöglicht stoff und Brennelementhülle angestrebt wird, können das Ausfüllen von beliebig geformten Hohlräumen 95 die im Brennstoff vorgesehenen Aussparungen 2 in bzw. Aussparungen, die in den Brennstoff einge- Form von tiefen Einschnitten bei dem in F i g. 3 dargestellten Element mit einem geschlossenen Rohr aus Brennstoff 1, z. B. aus Uran, das im Innern einer Brennelementhülle 3 mit äußeren Rippen 5 angeord-30 net ist, mit einer diffusionshemmenden Magnox-Legierung ausgefüllt sein. Die Hülle kann aus einer Magnesium-Zirkon-Legierung bestehen. Man kann aber auch eine Zwischenschicht 9 aus einer Magnox-Legierung zur Hemmung der Diffusion von Pluto-Urans, die sogar noch unter dem Wert liegen kann, 35 nium vorsehen, die durch Heißaufspritzen oder durch der einem thermischen Widerstand von Null an der Tauchen aufgebracht werden kann. Berührungsfläche Uran—Hülle bei üblicher Geometrie Die in Fig. 4 wiedergegebenen Kurven für den

ohne innere Rippen entsprechen würde, und zwar Temperaturverlauf im Innern des Brennstoffs und der durch Verkürzung der Wärmeflußwege im Uran. Man Hülle gelten für den einfachen Fall eines mit Auserreicht dadurch insgesamt ein weniger steiles radiales 40 sparungen in Form von tiefen »Rillen« versehenen Temperaturgefälle. plattenförmigen Brennelements mit inneren Rippen

Zusätzlich kann die die Aussparungen ausfüllende Masse durch ein diffusionshemmendes Material gebildet werden, beispielsweise durch die Legierung Magnox, was dann von Interesse ist, wenn man die Diffusion des Urans oder der Elemente, die während der Bestrahlung entstehen, wie beispielsweise Plutonium, durch die Hülle verhindern möchte.

Selbstverständlich ist die Erfindung auf Brennstoffelemente sehr verschiedener Formen anwendbar: 50 den kann, daß die Wärmeübergangszahl H zwischen auf Platten, Stäbe, Rohre und ringförmige Elemente. Uran und Hülle bzw. inneren Rippen in allen Punkten genau gleich ist. Es wird weiterhin angenommen, daß die Wärmeübergangszahl H zwischen Hülle und Kühlmittel (Gas) einheitlich ist und daß der Wärme-55 Übergang längs des angenommenen inneren Randes des Urans gleich Null ist.

Die Kurven I und II geben dann den Temperaturverlauf zwischen dem heißesten Punkt des Urans C, F und dem Gas A, D entlang der Strecken ausgefüllt sind oder das eine diffusionshemmende 60 C-B-J-A bzw. F-E-D jeweils längs der Symmetrie-Zwischenschicht aufweist, und ebene einer inneren Rippe bzw. eines zwischen zwei

F i g. 4 eine graphische Darstellung des Tempe- Rippen verbleibenden Uranvorsprungs wieder, raturverlaufs in einem Brennelement mit inneren Ebenso sind die Temperaturverläufe aufgetragen,

Wärmeableitungsrippen. die man ohne innere Rippen unter Voraussetzung der

Gemäß F i g. 1 ist ein aus Kernbrennstoff 1, wie 65 gleichen Uranmenge und eines gleichen Werts für die Uran, bestehendes Element, von dem nur ein kleiner Wärmeübergangszahl H zwischen Uran und Hülle Ausschnitt gezeigt ist, mit Brennstoff aussparungen 2 wie bei den Kurven mit inneren Rippen (Kurve III) versehen, die beispielsweise geradlinig, kreisförmig, oder unter der Annahme der gleichen Uranmenge

schnitten sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsmöglichkeit werden die Aussparungen durch Heißaufspritzen ausgefüllt.

Die in der vorgenannten Weise erzeugten inneren Wärmeableitrippen bringen eine Verbesserung des Wärmetransports aus dem Uran zur Hülle und damit eine Erniedrigung der Temperatur im Innern des

B-J. Die äußere Fläche der Hülle ist mit Rippen versehen, die mit dem Kühlmittel in Berührung stehen.

Es wird angenommen, daß die Hülle und die inneren Rippen nach dem Aufpressen der Hülle auf das Uran mit allen Teilen ihrer inneren Konturen mit dem gleichen Druck auf der Uranoberfläche aufliegen, wonach in erster Näherung angenommen wer-

Die Zeichnung dient zur Veranschaulichung der Erfindung; es zeigt

F i g. 1 eine Schnittdarstellung von einem Teil eines Elements mit inneren Wärmeableitrippen,

Fig. 2 schematisch die Herstellung eines solchen Elements,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Element, dessen Aussparungen mit einer diffusionshemmenden Masse

und eines unendlich großen Werts für die Wärmeübergangszahl H (Kurve IV) erhalten würde.

Wie F i g. 4 zeigt, erhält man eine bedeutende Verringerung des Temperaturabfalls zwischen dem heißesten Punkt des Urans und der Hülle im Vergleich zu Elementen ohne innere Rippen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines festen umhüllten Kernreaktor-Brennelementes mit inneren Wänneableitrippen an der Brennelementhülle, die in die Masse des Brennstoffs eindringen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der inneren Wänneableitrippen (4) im Brennstoff (1) vorgesehene Brennstoffaussparungen (2) vor oder nach dem Aufbringen der Brennelementhülle (3) auf den Brennstoff mit einem gut wärmeleitenden Material ausgefüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Brennelementhülle (3) das gut wärmeleitende Material in die Brennstoffaussparungen (2) in Form von einzelnen festen Teilen, die als Längsleisten, Kreisringteile oder Kreisringhälften ausgebildet sein können, eingesetzt oder durch Heißaufspritzen eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gut wärmeleitende Material in die Brennstoffaussparungen (2) durch Gießen unter Verwendung einer den Brennstoff

(1) umgebenden Gießform eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als gut wärmeleitendes Material zum Ausfüllen der Brennstoffaussparungen

(2) ein Metall bzw. eine Legierung mit niedrigerem Schmelzpunkt als der des Hüllenmaterials verwendet wird und die Brennelementhülle (3) selbst als Gießform benutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff (1) und die Gießform in die geschmolzene Masse des gut wärmeleitenden Materials eingetaucht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen