DE1464645C - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kernreaktor- Stofftemperaturkoeffizienten in der Praxis nicht er-

Brennstoffelement mit großem negativem Brennstoff- reicht.

temperaturkoeffizienten der Reaktivität, das in einer Ein weiterer Nachteil der bekannten Brennelemente Umhüllung einen festen Brennstoff und einen festen ist die relativ gute Wärmeleitfähigkeit der in ihnen moderierenden Stoff von hoher Wasserstoffkonzen- 5 verwendeten Metallhydride, die zur Folge hat, daß tration enthält. die Temperatur im Zentrum der Brennelemente auch In der Reaktortechnik ist eine Reihe von Brenn- bei hoher spezifischer Wärmeleistung nur wenig über elementen bekannt, die durch einen Spalt zwischen der Temperatur des flüssigen Kühlmittels liegt. Da der äußeren Zone und der Brennstoffzone gekenn- Kühlmittel und Brennstoff sich gleichzeitig um etwa zeichnet sind. Diese bekannten Ausführungen sollen io gleiche Beträge erwärmen, können leistungsbedingte verhindern, daß die äußere Umhüllung durch ein Schwankungen der Temperatur des Kühlmittels nicht Verziehen des Brennstoffstabes beschädigt wird. Eine im Brennstoff aufgefangen werden. Der Brennstoff-Verbesserung des Brennstofftemperaturkoeffizienten leistungskoeffizient ist daher ziemlich klein,
wird durch die bekannten Brennelemente nicht erzielt, Es ist zwar theoretisch möglich, das Temperaturda die durch den Spalt geschützten Stäbe reines Uran 15 gefälle zwischen Kühlmittel und Brennstoff durch oder eine Uranverbindung von geringer Bremskraft Überdimensionierung der Brennelemente zu ver-(C-Ss) enthalten (deutsche Patentschrift 1 004 744, größern. Eine derartige Maßnahme würde jedoch die britische Patentschrift 835 132). Berührungsfläche zwischen Kühlmittel und Brennstoff Bei den einleitend genannten Brennstoffelementen und damit die im Reaktorkern abführbare Gesamtbesteht die Brennstoffmoderatorzone vorzugsweise aus 20 wärmemenge verringern.

Uranhydrid oder einer Mischung von Uran- und Zir- Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein konhydrid. Als Kühlmittel dient leichtes Wasser wasserstoffhaltiges Brennelement, das auch bei Aus-(britische Patentschrift 852 877). führung mit kleinem Durchmesser eine Temperatur-Vorteilhaft ist bei dieser bekannten Ausführung verteilung aufweist, die eine optimale Ausnutzung der relativ große negative Brennstofftemperaturkoeffi- 25 des 1/v-Effektes ermöglicht.

zient der Reaktivität, der sich aus der hohen Brems- Diese Aufgabe wird bei Brennstoffelementen der

kraft (££s) des festen Brennstoffmoderatorgemisches einleitend genannten Art erfindungsgemäß dadurch

ergibt. Die von außen aus dem flüssigen Moderator gelöst, daß der Brennstoff- und Moderatorbereich

in das Brennelement eingestreuten thermischen Neu- durch eine wärmedämmende Schicht von der Um-

tronen werden durch Kollisionen mit den Wasserstoff- 30 hüllung getrennt ist. Der Wärmestau in der Isolierung

atomen des festen Brennstoffes auf eine Temperatur bewirkt einen relativen Temperaturausgleich zwischen

aufgeheizt, die zwischen den Temperaturen der beiden den inneren und äußeren Schichten des Brennelementes

Bereiche liegt. Während in einem normalen Uran- mit dem Ergebnis, daß die einfallenden thermischen

karbid- oder Uranoxyd-Brennelement der negative Neutronen auf eine Temperatur erhitzt werden, die

Brennstofftemperaturkoeffizient im wesentlichen auf 35 in der Nähe der mittleren Brennstofftemperatur liegt.

dem bekannten Dopplereffekt beruht, wird in dem Der negative Brennstofftemperaturkoeffizient erreicht

wasserstoff haltigen Brennelement außerdem der l/v- daher den optimalen Wert.

Effekt teilweise ausgenutzt. Der Absorptionsquer- Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung

schnitt des Brennstoffes ist umgekehrt proportional ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen

zur Geschwindigkeit bzw. umgekehrt proportional 40 Beschreibung und den Zeichnungen, in denen zwei

zur Wurzel der Temperatur der aufgeheizten Neu- bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bei-

tronen. Der Absorptionsquerschnitt des Spalt- spielsweise veranschaulicht sind. In den Zeichnungen

Stoffes sinkt also mit steigender Brennstofftem- zeigt:

peratur. F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Brennelement Diese bekannte Anordnung hat aber den Nachteil, 45 mit getrennten Brennstoff- oder Moderatorschichten, daß die Randzone des Brennelementes infolge des F i g. 2 einen Querschnitt durch ein Brennelement guten Wärmeüberganges zwischen Brennstoff und mit homogener Verteilung von Brennstoff und Mo-Kühlflüssigkeit eine Temperatur annimmt, die nur derator,

wenig über der Temperatur des flüssigen Moderators Fig. 3 den Verlauf der Stofftemperatur und der

liegt. Der Aufheizeffekt kann sich in der Randzone 50 thermischen Neutronentemperatur in einem Brenn-

also nicht voll auswirken. Viele der von außen ein- element nach F i g. 1.

fallenden Neutronen werden von den nur schwach Das in Fig.-L dargestellte Brennelement enthält erwärmten Wasserstoffatomen der Randzone gestreut eine zentrale Brennstoffzone 1, eine Moderator- und an Ort und Stelle oder im Zentrum des Brenn- schicht 2 und eine Wärmeisolierung 4 in einer äußeren elementes vom Spaltstoff absorbiert. Da nicht alle in 55 Umhüllung 5. Die Brennstoffzone 1 besteht aus einer der Randzone gestreuten Neutronen im Inneren des Dispersion von Urarioxyd in einer hitzebeständigen, Brennelementes ein zweites Mal gestreut werden, wärmeleitenden Metallegierung. Die Moderatorentspricht der Gesamtaufheizeffekt nicht der mittleren schicht 2 besteht zweckmäßigerweise aus einem Me-Stofftemperatur des Brennstoffes, sondern einem Wert, tallhydrid mit hoher Wasserstoff konzentration, z.B. der nur wenig über der Temperatur des flüssigen 60 Zirkonhydrid. Für dje Isolationsschicht 4 kommen Moderators liegt. Dies gilt insbesondere für Brenn- verschiedene keramische Werkstoffe in Frage. Die elemente mit kleinem Durchmesser, (r<2/CZj), in Isolationsschicht kann jedoch auch durch einen Spalt denen eine mehrfache Streuung eines großen Anteils ersetzt werden. Für die äußere Umhüllung 5 eignen der einfallenden Neutronen unwahrscheinlich ist. Da sich die im Reaktorbäu bewährten Nickel-Chromin der bekannten Anordnung keine geeigneten bau- 65 Legierungen und rostfreier Stahl,
liehen Maßnahmen zur Beeinflussung des Temperatur- Die Wärmeisolierung 4 ist unbedingt notwendig, gefälles im Brennelement vorgesehen sind, werden die weil Metallhydride eine'/.relativ, hohe Wärmeleittheoretisch möglichen Werte des negativen Brenn- fähigkeit besitzen. Wenn keineIsolierung vorhanden

wäre, würde die Moderatorschicht 2 die Temperatur der Umhüllung 5 bzw. des äußeren flüssigen Kühlmittels annehmen. Die Moderatorschicht würde ihren Zweck verfehlen. Durch die Wärmeisolierung 4 wird das relative Temperaturgefälle zwischen Moderator 2 und Brennstoff 1 vermindert. Bei geeigneter Bemessung der Isolationsschicht liegt die Temperatur des eingeschlossenen Moderators 2 in der Nähe der Brennstofftemperatur.

Der Temperaturanstieg des Moderators ist dem Temperaturanstieg des Brennstoffes proportional.

F i g. 3 veranschaulicht den Temperaturverlauf in einem Brennelement nach F i g. 1. Die verschiedenen Zonen des Brennelements werden durch Trennlinien und unterhalb der Abszisse durch eine Schraffur und die zugehörigen Bezugsziffern angedeutet. Der Verlauf der thermischen Neutronentemperatur entspricht der gestrichelten Kurve 6, der Verlauf der Stofftemperatur der voll ausgezogenen Kurve 7.

Das in F i g. 2 dargestellte Brennelement enthält eine homogene Brennstoff-Moderator-Zone 3 und eine Wärmeisolierung 4 in einer äußeren Umhüllung 5. Die Brennstoff-Moderator-Zone 3 kann aus einer Mischung von keramischem Brennstoff, z. B. UO₂ und Yttriumhydrid, bestehen. Sie kann jedoch auch chemisch gebundenes Uranhydrid UH₃ enthalten.

Durch die Wärmeisolierung 4 entsteht ein großes Temperaturgefälle zwischen der zentralen Moderator-Brennstoff-Zone 3 und dem Kühlmittel. Einer kleinen Schwankung der thermischen Leistung entspricht eine große Änderung der Neutronentemperatur. Die Wärmeisolierung 4 verursacht also einen besonders großen Reaktorleistungskoeffizienten.

Abschließend soll betont werden, daß die in F i g. 1 und 2 wiedergegebene zylindrische Gestalt der Brennelemente nicht unbedingt eingehalten werden muß. Selbstverständlich sind auch plattenförmige oder rohrförmige Brennelemente möglich, die in der gleichen Weise wie die zylindrischen Brennelemente aufgebaut sind.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement mit großem negativem Brennstofftemperaturkoeffizienten der · Reaktivität, das in einer Umhüllung einen festen Brennstoff und einen festen moderierenden Stoff von hoher Wasserstoffkonzentration enthält, d adurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff- und Moderatorbereich (1, 2; 3) durch eine wärmedämmende Schicht (4) von der Umhüllung (5) getrennt ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmedämmende Schicht (4) ein Spalt ist.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der moderierende Stoff mit hoher Wasserstoffkonzentration ein Metallhydrid ist.

4. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Moderator und Brennstoff als Mischung oder chemische Verbindung in einer homogenen Innenzone (3) enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen