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Verfahren zum Füllen undVerschließen von Spaltstoffelementen für Kernreaktoren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Füllen und Verschließen von Spaltstoffelementen
für Kernreaktoren. Es sind bisher Spaltstoffelemente für Kernreaktoren mit Leistungsdichten
in der Größenordnung von 500 kW je Liter Core-Volumen bekannt. Diese Spaltstoffelemente
bestehen aus einer Metallhülle und Tabletten aus Spaltstoff, die in die Hüllrohre
eingebracht worden sind. Die Hüllrohre sind dabei oft nicht vollständig in ihrer
Länge mit Tabletten gefüllt, weil die Spaltgase sich im Leervolumen des Spaltstoffelementes
ansammeln sollen. Die Durchmesser solcher Spaltstoffelemente können beispielsweise
b-ei etwa 7 mm liegen. Das Problem dieser Spaltstoffelemente besteht darin, einen
ausreichenden Wärmeübergang zwischen den Spaltstofftabletten und dem Hüllrohr zu
erreichen. Selbst bei entsprechender Vorbereitung der Hüllrohre derart, daß der
Spalt zwischen Hüllrohr und Tablette auf ein Minimum reduziert wird, läßt sich nicht
vermeiden, daß im Laufe des Betriebes des Kernreaktors entweder die Tablette ihre
Gestalt verändert oder aber die Hüllrohre bei höheren Temperaturen Kriecherscheinungen
zeigen. Dadurch aber wird der Spalt vergrößert, der Wärmetransport verschlechtert.
Das Ergebnis ist, daß zur Übertragung der notwendigerweise hohen spezifischen Wärmeströme
bis zu 300 W/cm2 eine sehr hohe Temperaturdifferenz zwischen Spaltstofftablette
und Hüllrohr aufrechterhalten werden muß. Das kann u. U. dazu führen, daß der Spaltstoff
im Inneren der Tablette die Schmeizteiperatur übersteigt.
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Eine unzulässige Temperaturerhöhung in den Spaltstofftabletten kann
man beispielsweise dadurch vermeiden, daß man den Spalt zwischen Tablette und Hülle
durch ein flüssiges Metall ausfüllt. Das flüssige Metall mit seiner im Vergleich
zu Wasser sehr hohen molekularen Wärmeleitfähigkeit transportiert die Wärme von
der Spaltstofftablette zum Hüllrohr bei einer nur geringen Temperaturdifferenz und
ist zusätzlich in der Lage, Änderungen des Spaltes während des Betriebes des Kernreaktors,
da flüssig, zu kompensieren. Von vornherein können dann die Spalte größer vorgesehen
werden, so daß eine mechanische Nachbearbeitung des Spaltstoffelementes etwa durch
Ziehen oder Rundhämmern entfallen kann. Man rechnet mit Spaltdicken von etwa 0,5
mm für Spaltstoffelemente, in denen ein Alkalimetall, beispielsweise Natrium, als
Zwischenwärmeträger dient. Für Natrium beträgt der Dampfdruck bei 8800C eine Atmosphäre;
dieser Dampfdruck ist gegenüber dem Partialdruck der Spaltgase nach langerer Betriebszeit
des Kernreaktors zu vernachlässigen.
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Es besteht nun ein technologisches Problem darin, das Alkalimetall
als Zwischenwärmeträger in die Spaltstoffelemente einzuführen, insbesondere so,
daß eine ausreichende Benetzung sowohl der Spaltstofftablette als auch des Hüllrohres
mit Sicherheit erreicht wird. Ist das nicht der Fall, erfolgt auch kein ausreichender
Wärmetransport. Die Erfahrung zeigt, daß erst oberhalb von 400°C eine Benetzung
eintritt, weil zuvor die auf dem Hüllmaterial und auf den Spaltstofftabletten fest
haftenden Oxydschichten durch das Alkalimetall zerstört werden müssen.
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Eine weitere sehr wesentliche Schwierigkeit tritt auf beim Verschließen
des Spaltstoffelementes, sei es durch Schweißen oder durch Löten, wenn man das Alkalimetall
in hergebrachter Weise in die Hüllrohre einlaufen läßt. In diesem Fall nämlich kommt
die gesamte Innenfläche des Hüllrohres mit Natrium in Berührung, so daß eine zuverlässige
Verschweißung des Hüllrohres mit einem nachträglich aufzubringenden Deckel infolge
des dazwischenliegenden hattengebliebenen sehr dünnen Natriumfilmes nicht mehr möglich
ist.
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Die vorliegende Erfindung weist einen Weg, auf dem Spaltstoffelemente
insbesondere für schnelle Kernreaktoren mit hoher Leistungsdichte mit einem Alkalimetall
als Zwischenwärmeträger gefüllt werden können, in der Weise, daß der Füllvorgang
bei einer Temperatur oberhalb 400°C vor sich geht und eine gute Benetzung von Spaltstofftabletten
und Hüllrohr erreicht wird, ohne daß jedoch dabei das gesamte Hüllrohr mit Natrium
oder Natriumdampf in Beruhrung kommt, so daß ein einwandfreies Verschließen des
Spaltstoffelementes durch Verschweißen oder Löten gewährleistet ist. Dieser Füllvorgang
nach der Erfindung wird auf einem thermodynamischen Weg vorgenommen und basiert
auf dem von verschiedenen Autoren beobachteten physikalischen Effekt, daß sich in
dünnen Rohren etwa unterhalb von 1 cm Durchmesser der Dampf eines siedenden Alkalimetalls
nicht mit einem darüberliegenden Schutzgas durch Diffusion vermischt, sondern das
Schutzgas durch Stöße zwischen Metalldampfatomen und Schutzgasatomen zusammendrückt,
bis eine eindeutige Abgrenzung von Metalldampf und Schutzgas im Rohr erreicht ist.
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Ausgehend von dieser Erkenntnis, besteht das Verfahren zum Füllen
von Spaltstoffelementen für Kernreaktoren, die aus einer Anzahl von in einer Hülle
eingeschlossenen Spaltstofftabletten bestehen und zur Wärmeübertragung von den Spaltstofftabletten
auf die Hülle ein Alkalimetall enthalten, gemäß der Erfindung darin, daß die an
ihrem unteren Ende verschlossene Hülle mit der erforderlichen Menge Alkalimetall
in einem mit Schutzgas ausgefüllten Raum gefüllt wird, dessen Dampfdruck gleich
dem Dampfdruck des Alkalimetalls bei der Temperatur ist, bei der eine ausreichende
Benetzung von Spaltstofftablette und Hülle gewahrleistet ist, das Alkalimetall nach
dem Einfüllen auf diese Temperatur erhitzt wird und danach die Spaltstofftabletten
eingebracht werden. Dabei kann die Erhitzung des Alkalimetalls von außen durch induktive
Erwärmung erfolgen.
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Zweckmäßig ist es, wenn mit zunehmender Füllung der Hülle mit Spaltstofftabletten
der Ort der Erhitzung des Alkalimetalls
nach oben verschoben wird.
Ein sicheres Verschließen des Spaltstoffelementes durch Schweißen oder Löten wird
dadurch möglich, daß nach der Erfindung bei vollständiger Füllung der obere Teil
der Hülle vom Schutzgas erfüllt bleibt.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
sei das Verfahren nach der Erfindung näher erläutert.
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Die Hülle 1, die an ihrer Unterseite fertig mit ihrer Haltevorrichtung
2 verschweißt ist, befindet sich in einem Raum 3, der mit Schutzgas 4 gefüllt ist,
das unter einem an dem Manometer 5 ablesbaren Druck steht, der gleich groß ist wie
der Dampfdruck des Alkalimetalls bei der zur Benetzung als notwendig erachteten
Temperatur. Soll beispielsweise bei Natrium als Alkalimetall diese Temperatur 6000C
betragen, so muß der Dampfdruck des Schutzgases 0,032 Atmosphären betragen. In die
Hülle wird nun diejenige Menge an Alkalimetall 6 eingefüllt, die sich rechnerisch
aus der Differenz der Volumen von Hülle und Spaltstofftabletten, bezogen auf die
Höhe des zu füllenden Raumes, ergibt. Die Spaltstofftabletten 7 befinden sich zunächst
außerhalb des Hüllrohres. Der von dem Alkalimetall gefüllte Teil der Hülle wird
nunmehr von außen induktiv durch die Hochfrequenzspulen 8 erwärmt, bis das Alkalimetall
bei der dem Schutz gasdruck entsprechenden Temperatur zu sieden beginnt. Abhängig
von der eingespeisten Leistung wird Alkalimetall verdampfen, sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
9 ansammeln und das Schutzgas entsprechend dem oben beschriebenen physikalischen
Effekt fastvollständig aus dem Dampfraum 10 verdrängen. Die Größe des Dampfraumes
hängt von der Heizleistung ab. Der Metalldampf trifft dabei auf die kühle Oberfläche
der Innenseite der Hülle, kondensiert dort und läuft durch die Schwerkraft wieder
nach unten in die Flüssigkeit.
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Auf diese Weise wird ein Teil der Wand der Hülle dauernd einem Strom
aus heißem, flüssigen Natrium ausgesetzt, so daß eine vollständige Benetzung durch
Zerstörung des Oxydfilmes erzielt wird. Sodann wird die erste der Spaltstofftabletten
7 von oben in die Hülle hineingeleitet, die in dem siedenden flüssigen
Natrium
zur Ruhe kommt. In dieser siedenden Flüssigkeit wird nach kurzer Zeit die vollständige
Benetzung der Spaltstofftablette erreicht. Dies ist sehr wesentlich gerade in solchen
Fällen, in denen die Spaltstofftablette aus einem Sinterkörper besteht, beispielsweise
aus Plutonium-Karbid, der eine sehr große Oberfläche aufweist, die auf normale Art
und Weise nie vollständig zu reinigen ist, um eine Benetzung zu erzielen.
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Die erste Spaltstofftablette hat einen Teil des Alkalimetalls verdrängt.
Es muß nunmehr die Heizleistung auf einen etwas höher gelegenen Teil der Hülle gebracht
werden, beispielsweise durch eine Verschiebung der Hochfrequenzspule, so daß nunmehr
durch den beschriebenen Effekt ein neuer Teil der Hülle durch den kondensierenden
Dampf gereinigt wird. Nach entsprechender Zeit wird die zweite Spaltstofftablette
eingegeben, die wiederum durch die siedende Flüssigkeit vollständig benetzt wird
und auf der Spaltstofftablette zur Ruhe kommt.
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Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis sämtliche Spaltstofftabletten
in die Hülle eingebracht sind. Gleichzeitig hat sich die für die Reinigung durch
Verdampfen und Kondensieren zur Verfügung stehende Menge an Alkalimetall fortlaufend
reduziert; damit hat sich auch die zu reinigende Fläche nach jedem Füllschritt notwendigerweise
verringert. Gegenüber dem ersten Schritt ist die Zone zwischen dem flüssigen Alkalimetall
und dem Schutzgas, in der der Alkalimetalldampf kondensiert, auf einen kleinen Bruchteil
zusammengeschrumpft.
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Das bedeutet, daß das Schutzgas nunmehr den oberen noch freien Teil
der Hülle ausfüllt und damit verhindert, daß flüssiges Alkalimetall mit dem oberen
Rand der Hülle in Verbindung treten kann. Es kann nunmehr der Verschlußstopfen 11
für die Hülle unter Schutzgas aufgesetzt und verschweißt oder verlötet werden, wobei
die bisher benutzte Wärmequelle beispielsweise auch für das Löten herangezogen werden
kann. Für diesen Fall ist der Verschlußstopfen 11 bereits mit einem Ring aus Lötmaterial
12 versehen. Der obere Teil des Hüllrohres
ist und bleibt zwangsläufig
mit Schutzgas gefüllt; dabei ist wiederum zu beachten, daß der Druck des Schutzgases
vernachlässigbar ist im Verhältnis zu dem im Betrieb des Kernreaktors entstehenden
Spaltgasdruck, der eine Höhe von 50 bis 100 Atmosphären je nach der Betriebszeit
des Elementes erreichen kann.
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6 Seiten Beschreibung 4 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnung mit 1 Figur