DE1764150A1

DE1764150A1 - Kernreaktor-Brennelement

Info

Publication number: DE1764150A1
Application number: DE19681764150
Authority: DE
Inventors: Williams Albert Etheridge; Linkison William Simpson
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1967-04-12
Filing date: 1968-04-10
Publication date: 1971-05-13
Also published as: DE1764150B2; FR1565786A; US3580809A; GB1219264A; BE713684A

Description

United Kingdom Atomic Energy Authority,

11, Charles II Street, L ο η d on, S.W.1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 16 875/67 vom 12. April 1967 beansprucht.

Kernreaktor-Brennelement

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktor-Brennstoffelemente, insbesondere auf ein Brennstoffelement, welches ein Bündel von im Abstand angeordneten parallelen Brennstoffstiften oder —stäben enthält, wobei jeder Stift (oder Stab) eine längliche Hülle aufweist, welche keramisches nukleares Brennstoffmaterial enthält.

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Brennstoffstifte der vorbeschriebenen Gattung weisen, insbesondere bei Verwendung in einem schnellen Brutreaktor, in 'welchem die Brennstoffstifte im allgemeinen eine hohe Wärmeauslegung /heat rating/ haben, den Nachteil auf, daß beim Auftreten

einer Temperaturexkursion des Reaktors die Möglichkeit besteht — welche sich mit der Stärke der Exkursion erhöht—, daß

das Brennstoffmaterial im axialen Mittelbereich der Brennstoffstifte schmilzt und eine physikalische Reorientierung oder körperliche Umstrukturierung /physical reorientation/ des Brennstoffmaterials innerhalb der Hülle mit sich bringt. Bei einem derartigen Auftreten würden sichjdie Charakteristiken des Reaktorkerns ändern, und dies könnte zu einer Leistungsexkur sion führen. Außerdem kann differentiale thermische Ausdehnung zwischen Brennstoff und Hüllenmaterial, wenn sie nicht verhindert bzw. hintangehalten wird, eine Änderung im Temperaturkoeffizienten der Reaktivität hervorrufen, was axiale Instabilität sowie Schwierigkeiten mit der Kontrolle und damit zusammenhängende ähnliche Probleme zur Folge hat.

Gegenstand der Erfindung ist in erster Linie ein länglicher zylindrischer Brennstoffstift für ein Brennstoffelement für einen schnellen Brutkernreaktor mit einer Vielzahl von in Längsrichtung im Abstand angeordneten Durchmesserreduzierungen, die so angeordnet oder eingerichtet sind, daß der yuerschnit^sbereich von keramischem Brenne to ffmaterial in Übereinstimmung (oder Zuordnung zu) jeder besagten Durchmesserreduzierung, verglichen mit demjenigen des Resten des BremistoLTiüateri'tls,

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reduziert wird, wodurch die Brennstoffvolumen in Übereinstimmung ' mit bzw. Zuordnung zu den besagten Durchmesserreduzierungen eine verminderte Wärmeauslegung aufweisen, und daher wird ihre Neigung, bei Auftreten einer Temperaturexkursion des Re^aktorB zu schmelzen, relativ zum Rest des "Brennstoffβ reduziert, wodurch Barrieren /barriers/ gegen Reorientierung des Brennstoffs innerhalb des Stiftes geschaffen werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Temperatur des Brennstoffs im axJäLen Mittelbereich des Brennstoffstiftes und im Ausmaß der /in register with/ Durchmesserreduzierungen reduziert wird, verglichen mit derjenigen des Restes des Brennstoffmaterials. Demzufolge ist eine Temperaturexkursion, die ausreicht, um sentrales Schmelzen der Majorität des Brennstoffmaterials zu bewirken, nicht ausreichend, es sei denn, daß sie außergewöhnlich stark ist, um zentrales Schmelzen des Brennstoffmaterials im Ausmaß mit den Durchmesserreduzierungen zu bewirken. Folglich wird in größerem Ausmaß /large scale/ eine Reorientierung des Brennstoffs innerhalb der Hülle des Stiftes verhindert, und zwar infolge des Vorhandenseins der Barrieren gegen Reorientierung, welche durch die nichtgeschmolzenen Zonen in einer Höhe bzw. einem Ausmaß mit den Reduzierungen erzeugt werden. Außerdem tragerjdiese Barrieren dazu bei, große Veränderungen im Temperaturkoeffizienten aufgrund differentialer thermischer Ausdehnung zwischen Brennstoff und Hülle zu vermeiden oder zu verhindern.

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Es wird angenommen, daß eine Reduzierung im Durchmesser von etwa 1O^ genügt, um alle Temperaturexkursionen mit Ausnahme von extrem hohen hintanzuhalten, und dazu beiträgt, Differential-Expansions-Problemen entgegenzuwirken. Größere Reduzierungen können erwünscht sein, sollten jedoch darauf begrenzt sein, was in der Praxis ohne eine unannehmbare oder unzulässige Schwächung der Hüllen der Brennstoffstifte erreicht werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist Gegenstand derselben ein Kernreaktor-Brennstoffstift, welcher keramisches nukleares Brennstoffmaterial aufweist, welches in einer Hülle enthalten ist, bei welchem die Hülle nach innen voragende Deformierungen in Abständen längs ihrer mit Bennstoff versehenen Längsabschnitte aufweist und sich das Brennstoffmaterial in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit diesen Deformierungen befindet, welche zumindest ebenso gut wie beim Rest der Hülle ist, so daß wegen der Reduzierung der Querschnittfläche des Brennstoffmaterials an "den einwärts vorragenden Deformierungen die mittlere Temperatur des Brennstoffmaterials beim Betrieb an diesen Deformierungen herabgesetzt wird.

Bauliche Ausführungsformen gemäß der Erfindung werden nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden schematischen . Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigt bzw· zeigen

Fig. 1 eine Teil-Seitenansicht im Schnitt von einem

Brennstoffstift für einen schnellen Brutkernreaktor,

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die Figuren 2A und 2B vergrößerte Seitenansichten

im mittleren Teilstück, und— Ende an Ende zusammengefügt ■— stellen sie den Brennstoffstift der Fig. 1 in größerem Maßstab dar, während

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht, im mittleren' . Teilstück, eines kurzen Teils eines Brennstoff-

stiftes für einen schnellen Brutkernreaktor wiedergibt, die eine andere Bauart erkennen läßt.

Gemäß den Fign. 1_r 2A und 2B, auf welche zuerst Bezug genommen wird, wird ein Brennstoffstift 1 für einen schnellen Brutkernreaktor vorgesehen, der durch flüssiges Natrium gekühlt wird, wobei der Brennstoffstift 1 typischerweise eine länge von 7 ft. 3.1/4" (ca. 2 216 mm) aufweist und aus einer Hülle 2 aus Rostfrei- bzw. Edelstahl (beispielsweise AISI Type 316) besteht, welche sowohl spaltbaren Brennstoff 3 als auch brütbaren Brennstoff 4 enthält. Der spaltbare Brennstoff 3 besteht

aus ü0₉/Pu0o-Pulver, das auf eine typische Dichte von 8,8 Gramm 3 ■ ^ά ■■·.'..■■

/cm in situ vibroverfestigt /vibrooompacted/ wird, was etwa SO/o der theoretischen Dichte äquivalent ist, und wird im oberen zentralen Bereich des Brennstoffstiftes über eine länge von etwa 3 ft. (915 mm) angeordnet, Brütbarer Brennstoff /fertiefuel/ 4, der obere und untere axiale BrUterbereiche bildet, ist in Form von festen bzw. vollen Pelleta 5 für den

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oberen Brüterbereich und ringförmigen Pellets 6 für den unteren Brüterbereich vorgesehen, wobei der spaltbare Brennstoff von den oberen Brüterpellets 5 durch einen vollen /solid/ 'Edelstahl-Beabstandungsbauteil bzw. -Abstandsstück 7 und von den unteren Brüterpellets 6 durch einen ringförmigen Edelstahl^- Abstandsbauteil 8 getrennt ist, der ein feines filter 9 aus korrosionsbeständiger /stainless stell wool/ Stahlwolle aufweist. Ein Abstandsstück 10, das ähnlich dem Beabstandungsbauteil 8 ausgebildet ist, aber ein g-ro^bere.s^ filter 11 aus korrosionsbeständiger Stahlwolle enthält, trennt die Brüterpellets 6 von einer Kammer 12 für das Sammeln gasförmiger Spaltprodukte und durch das untere Innere des Brennstoffstiftes gebildet. Die Hülle 2 im Bereich der Kammer 12 weist einen reduzierten Durchmesser (0,21") /5,334 mm/ auf, verglichen mit den zentralen und oberen Bereichen der Hülle, wo der Durchmesser 0,23" (5,842 mm) beträgt. Die Hüllenwanddicke beträgt 0,015" (0,381 mm), Die Endbereiche der Hülle 2 werden mit inneren Hülsen 13 bzw. 14 versehen, konisch zusammengedrückt /swaged down/ und mit Endverschweißungen 15 bzw. 16 abgedichtet.

Die Abatandsbauteile 8, 10 werden durch Eindrücken /crimping/ der Hülle 2 in Aussparungen 17 bzw. 18 hinein lokalisiert, während der volle Beabstanduiigsbauteil 7 nicht so lokalisiert wird. Das oberste Pellet der Pellets 5, welches, den oberen Brüterbereich bildet, wird durch Anschlag gegen das untere Ende der inneren Hülse 13 lokalisiert·

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Um lokale BrennstoffVolumenreduzierungen des ·

: spaltbaren Brennstoffs 3 für die Zwecke der Erfindung vorzusehen (welche in der Hülle 2 vorgeformt werden, bevor Brenn- · stoff darin eingebracht worden ist), sind drei Durchmesserreduzierungen 19 vorhanden, welche längs der mit Brennstoff versehenen länge von 3 Fuß (915 mm) angeordnet sind. Zweckmäßigerweise liegt die Beabstandung zwischen den Reduzierungen 19 konstant bei 9" (228,6 mm). Die Durchmesserreduzierungen werden bis 0,21" (5f334 mm) vorgesehen (was eine Reduzierung φ von etwa 10$ darstellt) oder sogar bis 0,205» (5,207 mm) (was eine Reduzierung von etwa 12.1/2$ darstellt) und können ohne Brechen oder Reißen sehr gut durch Kaltdrehstoßpressen /rotary butt swaging done cold/ erreicht werdai Die axiale Län£;e der Reduzierungen beträgt 0,25" (6,35 mm) mit leichten Verengungen /shallowleads-in/ mit einer axialen Länge von 0,23" (5,842 mm). Alternativ kann kaltes planetarisches Pressen /cold planetary swaging/, beispielsweise unter Verwendung von in den britischen Patentschriften 946 407 und 987 behandelten Vorrichtungen verwendet werden, um die Durchmesserreduzierungen herzustellen} es wird jedoch empfohlen, eine Reduzierung von etwa 10$ nicht zu überschreiten, wenn dieses Verfahren angewandt wird, da sonst Bohrungsbruch die Folge sein könnte. Eine weitere Alternative zur Herstellung der Durchmesser·*· reduzierungen ist durch Hochenergiestoßwellen gegeben, wobei, um die gewünschte Deformierung herzustellen, ein Dorn /mandrel/ ■ verwendet wird, der entsprechend auf das gewünschte Reduzierungsprofil geformt ist.

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Bei der in Pig. 3 dargestellten Bauart kann die Hülle 20 eines Brennstoffstiftes 21 (von welchem nur ein kurzes Teil-· •stück dargestellt ist), an einem Ende geschlossen und abgedichtet (nicht dargestellt, jedoch wie anhand der Figuren 1, 2A und 2B beschrieben) in ihrem spaltbaren Brennstoffbereich und oben an bzw. auf den unteren axialen Brüterpellets und Abstandsbauteilen — wie in Fig. 2B dargestellt — mit einer vorbestimmten Anzahl glatter zylindrischer oder, wie dargestellt, ringförmiger spaltbarer Brennstoffpellets 22 versehen werden, einem örtlichen Zusammendrücken bei 23 unmittelbar oberhalb der Spitze des Stapels von Pellets 22 unterworfen werden, eine dünne Scheibe 25 aus Molybdän oder Edelstahl aufweisen, die sich oben auf dem Pelletstapel befindet, keramisches spaltbares Brennstoffpulver 24 aufweisen» das in einer Menge auf- oder eingebracht ist, die ausreicht, um das reduzierte Volumen und ein wenig mehr einzunehmen, einer Vibration unterworfen werden, um das Pulver 24 zu verfestigen oder zu verdichten, eine andere dünne Scheibe 26 aus Molybdän oder Edelstahl aufweisen, die oben auf dm vibroverfestigte Pulver aufgebracht wird, die gleiche vorbestimmte Anzahl von Brennstoff pellets 22 aufweisen, die oben auf die Scheibe 26 aufgebracht wird, einem örtlichen Pressen /swaging/ unterworfen werden, und zwar gerade über der Spitze der zuletzt angefügten Pellets 22 und so weiter, bis die vorbestimmte mit Brennstoff versehene Länge ausreichend gefüllt ist, und ihr offenes oberes Ende kann nach dem Einbringen des Abstandsteils

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. und der Pellets des oberen Brüterbereichs zusammengepreßt und abgedichtet werden, wie in fig. 2A dargestellt. Der Zweck dieser Scheiben 25, 26 besteht darin, Pulver 24 daran zu hindern, sich über das zentrale Loch 27, das durch die ringförmigen Pellets gebildet wird, zu reorientierenj das Vorhandensein der Scheiben 25, 26 ist bei vollen zylindrischen Pellets nicht erforderlich. Jedoch unterstützen die Scheiben 25, 26, wenn vorgesehen, die Bildung eines "kühlen" BrennstoffVolumens im Bereich der Durchmesserreduzierungen, da sie, v/eil sie nämlich bessere Wärmeleiter als der Brennstoff sind, die Ableitung von Wärme von den zentralen Bereichen der besagten Volumen weg begünstigen /to add/, und zwar nach der Hülle hin, wo solche Wärme durch das Kühlmittel entfernt wird, welches axial über den Brennstoffstift strömt.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei allen dargestellten Ausführungs-formen ein enger Kontakt zwischen der Hülle und dem Brennstoff in den Bereichen der Durchmesserreduzierung der Hülle besteht. Souit wird eine gute Wärmeübertragung in diesen Bereichen beibehalten, wie sie bereits in den übrigen Bereichen besteht, und das Zustandebringen einer Reduzierung in der mittleren Temperatur des Brennstoffs in Übereinstimmung bzw. in einer Höhe mit den Durchmesserreduzierungen, was das Ziel der Erfindung ist, wird dadurch erreicht. In Fällen, wo die Brennstoffpellets ringförmig ausgebildet sind, besteht der Sinn und Zweck, ein. zentrales loch vorzusehen, darin, Zentrum-"^' ecnmelzung des Brennstoffs während normalen Betriebs zu reduzieren

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oder zu verhindern wie auch einen Durchgang für Spaltprodukte vorzusehen, die im Brennstoff erzeugt werden, der nach der Kammer (12 in Pig. 2B) hin verläuft, die im kühlen Ende des Brennstoffstiftes vorgesehen ist, oder nach Mitteln (nicht dargestellt), um die Spaltprodukte nach dem äußeren Kühlmittel hin zu entlüften bzw. zu fördern. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß bei ringförmigen Pellets eine Temperaturexkursion Schmelzen des Brennstoffs rund um die zentrale Bohrung der Pellets herum hervorrufen kann; man kann erwarten, daß bei allen, mit Ausnahme von äußerst starken iemperaturexkursionen das Vorsehen von Durchmesi.;erreduzierungen ein solchea Schmelzen in Bereichen in einer Höhe mit solchen Reduzierungen verhindert und ringförmige "Plattformen" von nicht geschmolzenem Brennstoff liefert, wodurch Brennstoffreorientierung und dlfferentiale thermische Ausdehnung zwischen Brennstoff und Hülle gehindert oder verhindert wird.

Urankarbid oder gemischte Uran- und Plutoniumkarbide können alternativ als Bre-;nat of !'material verwendet werden.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umris^enen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindun^smerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeicnnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

Telefon! (0271)3240» MA Telegramm-Adr.: Patsdiub, Siegen

Postscheckkonten: • Κοϊπ 106931, Essen 20362

#■-■■"' Bankkonten:

Deutsche Bank AG.,

Abs.: Patentanwalt Dipl.-!ng. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner StraBe 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

Postfadi325

68 03B EI/Nb 9. April 1968

Patentansprüche

1. Länglicher zylindrischer Brennstoffstift für ein Brennstoffelement für einen schnellen Brüterkernreaktor, gekennzeich-

net durch -eine Vielzahl von längsweis im Abstand angeordnete Durchmesserreduzierungen, die so angeordnet sind,daß der Querschnittsbereich von keramischem Brennstoffmaterial in Übereinstimmung mit jeder Durchmesserreduzierung reduziert wird» ver- · glichen mit demjenigen des Restes des Brennstoffmaterials, wodurch die Brennstoffvolumen in einer Höhe mit den besagten Durchmesserreduzierungen eine verminderte Wärmeauslegung aufweisen und infolgedessen ihre Tendenz, bei Auftreten einer Temperaturexkursion des Reaktors zu schmelzen, reduziert wird, vergl_iohen mit dem Rest des Brennstoffs, wodurch Barrieren gegen Reorientierung des Brennstoffs innerhalb des Stiftes vorgesehen werden.

2. Brennstoffstift nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesserreduzierungen von einer Rostfrei- bzw« Edelstahl hülle «des- Stiftes sind und im Bereich von 10 bis 12.1/2 % liegen.

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3* Brennstoffstift nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Brennstoffmaterial in vibroverfestigter /vibrocompacted/ Pulverform vorgesehen ist.

4. Brennstoffstift nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bereich der Reduzierung des Durchmessers übereinstimmend bzw. in einer Höhe damit ein Volumen aus vibroverfestigtem spaltbarem Brennstoffpulver aufweist und daß die Volumen des vibroverfestigten Brennstoffpulvers durch Stapel von spaltbaren Brennstoffpellets getrennt sind.

5. Brennstoffstift nach Ansoruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pellets ringförmig sind und die Volumen des vibroverfestig ten Pulvers von den Pelletstapeln durch eine dünne Metallscheibe getrennt sind.

6. Brennstoffstift für ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor, der keramisches nukleares Brennstoffmpterial aufweist, welches in einer Hülle enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle nach innen vorragende Deformierungen in Abständen län°;s ihrer mit Brennstoff versehenen Länge aufweist und daß sich das Brennstoffmaterial in Wärmeübertragungsbeziehung mit diesen Deformierungen befindet, welche zumindest so gut wie beim Rest der mit Brennstoff versehenen Lnrge der Hülle ist, so daß, als eine Folge der Reduzierung des Querschnittsbereiohes des Brennstoffmaterials an den nach innen vorragenden Deformierungen die Mittertemperatur beim Betrieb des Brennstoffmateriale in Übereinstimmung baw. in einer Höhe mit diesen Deformierungen heruntergedrückt wird·

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7· Verfahren zur Herstellung eines ländlichen zylindrischen Brennstoffstiftes für ein Brennstoffelement für einen schnellen Brutkernreaktor, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, Durchmesserreduzierungen einer Rostfrei- "bzw. Edelstahlhülle des Stiftes zu "bewirken, spalt "baren und, wo geeignet, brtltbaren Brennstoff in die Hülle einzubringen, so daß spaltbarer Brennstoff sich in einer guten V/ärmeübertragungsbeZiehung mit dem Inneren der Hülle befindet, einschließlich der besagten Durchmesserreduzierungen, und die Hülle abzudichten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der spaltbare Brennstoff in Pulverform vorgesehen ist und in situ einer Vibrationsverfest igung unterworfen wird, um seine Dichte auf etwa 80$ der theoretischen zu bringen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesserreduzierungen durch kaltes Dreh-Sbumpf- oder Stoßpressen hervorgerufen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesserreduzierungen durch kaltes planetarisches Pressen hervorgerufen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die üurchmesserreduzierungen durch Hochenergiestoßwellen hergestellt werden, wobei in der ITUlIe ein Dorn mit einem entsprechenden Reduzierun^sprQfil verwendet wird.

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12o Verfahren zur Herstellung eines länglichen zylindrischen Brennstoffstiftes für ein Brennstoffelement für einen schnellen Brutkernreaktor, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, einen Stapel von spaltbaren Brennstoffpellets in eine Edelstahlhülle" des Stiftes nur über ein Teilstück der mit Brennstoff versehenen Länge des Stiftes einzubringen, Durchmesserreduzierungen der Hülle an einer Stelle unmittelbar über der Spitze des Stapels vorzusehen, den spaltbaren Brennstoff in Pulverform in ™ die Hülle einzubringen, so daß er den Bereich der Durchmesserreduzierung einnimmt, das Brennstoffpulver einer Vibroverfestigung zu unterziehen, einen anderen Stapel von Brennstoffpellets über dem gesetzten /compacted/ Pulver aufzubringen, die Vorgänge der Durchmesserreduzierung, Pulvereinbringung, Pulverfestigunr; und Pelleteinbringung zu wiederholen, bis die mit Brennstoff versehene Länge des Stiftes völlig eingenommen wird, und schließlich die Hülle abzudichten.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltbaren Brennstoffpellets ringförmig vorgesehen sind und die Folge von Vorgängen das Anordnen einer dünnen Metallscheibe zwischen jedem Stapel von Brennstoffpeliets und den angrenzenden Volumen von brennstoffpulver einschließt.

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