DE3148136A1 - Kernbrennstoffpellet mit verminderter hitzeverformung - Google Patents

Description

• Kernbrennstoffpellet mit verminderter Hitzeverformung
• Das Ziel der Erfindung besteht in einem Kernbrennstoffpellet, das im Heißzustand verminderte Verformungen aufweist. Pellets bestehen gewöhnlich aus kleinen Zylindern von synthetisiertem U02 (Uranoxid) mit ungefähr einem Zentimeter Größe und sind in Rohre aus Zinklegierung (oder Stahl) eingeschlossen, die an den Enden geschlossen sind. Eine Anzahl von Rohren, die mittels geeigneter Endplatten, radialen Abstandshaltern, elastischen Elementen usw. zusammengebaut sind, bilden ein Kernreaktorbrennstoffelement.
• Die-U02-Pellets (siehe Fig. 1) sind axial in dem Rohr (Hülse) mit einem gewissen Radialspiel angeordnet, das ihre Einlagerung und ihre radiale Ausdehnung ermöglicht. Ein geeignetes Axialspiel stellt zusammen mit einer Druckfeder zur Verhinderung von Bewegungen während des Transports und Betriebs die axiale Ausdehnung im Hitze zustand sicher.
• Während sich das Pellet in dem Reaktor in Betrieb befindet (Fig. 2), wird infolge des Neutronenflusses (siehe Kurve F in Fig. 3) Leistung erzeugt, und es wird ein Wärmefluß zu der außerhalb der Hülse fließenden Kühlflüssigkeit (Wasser) hervorgerufen.
• Infolge der Leistungserzeugung und der Kühlung stellt sich in dem Pellet eine Temperaturverteilung ein, die andeutungsweise durch die Kurvc T von Wi'3.3 dargestellt ist.
• Die axiale und radiale Wärmeausdehnung ruft eine Verformung des Pellets hervor, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Dieser Umstand bringt eine mehr oder weniger ausgeprägte Wechselwirkung mit der Hülse mit sich, insbesondere in Zusammenhang mit den Pelletenden Um die Hitzeverformung und damit diese Wechselwirkung herabzusetzen, ist es bekannt, sich einer Kantenbrechung (siehe Fig. 5) oder Ausdehnungshohlräumen an beiden Stirnflächen, Fig. 6 und 7 oder an nur einer Stirnfläche, Fig. 8, zu bedienen. Jedoch erweisen sich die Versuchscrgebnisse nicht als sehr zufriedenstellend.
• Die Lösung von Fig. 9, ein zentrales Loch in dem Pellet, zeigt besser erfolgversprechende Ergebnisse.
• Sie wird jedoch kommerziell nicht angewendet, weil sie sowohl (a) eine geringfügig höhere Spaltmaterialanreicherung ( z.B. Uran 235) erfordert, um den jedenfalls auftretenden hohen Prozentsatz an leerem Raum aus zu gleichen, als auch (b) der dadurch längs dem Brennstoffstab ausgebildete Kanal Massenbewegungen infolge von U02-Fragmentierung, -Spaltbildung, usw. begünstigen kann, wodurch die Konfiguration des Spaltstoffaufbaus verändert werden kann.
• Jedenfalls ist es aber nützlich, auf einen Vorteil der in der Entfernung eines Teils des Pellets bestehenden Lösung von Fig. 9 hinzuweisen, der vom neutronischen Standpunkt aus wenig interessant erscheint und andererseits spürbar zur Wärmeausdehnung beiträgt, siehe Fig. 3, Kurven F und T. Die Beibehaltung dieses Vorteils kann zusammen mit der Verminderung des Nachteils (a) und der Beseitigung des Nachteils (b), wie sie oben erwähnt sind, durch Rückgriff auf die Pelletform von Fig. 10 erreicht werden.
• Beim Vergleich der letzteren mit der ursprünglichen Fig. 9 zeigt sich, daß es zur Erleichterung der Herstellung des teilweise durchbohrten Pellets von Fig. 10 dienlich ist, den Querschnitt der beiden Löcher zur Pelletmitte hin zu vermindern, wodurch querschnittlich zwei U-Formen mit Durchmesser d und Tiefe h erhalten werden. Das Vorstehende bringt es mit sich, daß im Ergebnis mindestens h/d>1 gelten muß, damit Fig. 10 als ein optimierter Fall der Form von Fig. 9 angesehen werden kann. Der wesentliche Unterschied zwischen der in Fig. 6 und 7 dargestellten Form zu derjenigen von Fig. 10 besteht in dem bei letzterer vorhandenen höheren h/d-Verhältnis.
• Die Lösung von Fig. 10 kann auch zusätzlich in die in Fig. 5, 6 und 7 (und möglicherweise 8, wenn ein einziges U-Loch in dem Pellet von Fig. 10 betrachtet wird) dargestellten eingefügt werden.
• Die Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber der in der oben. erwähnten Figur 10 dargestellten Ausführungsform dar, deren Merkmale in den folgenden Ansprüchen zusammengefaßt und schematisch dargestellt sind; ihre Ziele und Vorteile ergeben sich ferner aus der folgenden Beschreibung und insbesondere aus der Zeichnung. Hierin zeigt: Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Hülse zur Aufnahme von Kernbrennstoffpellets, Fig. 2 ein gewöhnliches Brennstoffpellet von im wesentlichen zylindrischer Form, Fig. 3 Kurven F und T,wie in der Beschreibungseinleitung angegeben, Fig. 4 eine schematische Darstellung der Hitzeverformung des Brennstoffpellets, Fig. 5 bis 10 bekannte Ausführungsformen eines Brennstoffpellets zum besseren Verständnis der durch die erfindungscjemäße Verbesserung erreichten Vorteile, und Fig. 11 einen Schnitt längs eines Durchmessers eines erfindungsgemäßen Brennstoffpellets.
• In der Beschreibungseinleitung sind die mit den verschiedenen bekannten Lösungen, wie sie schematisch in Fig. 5 bis 10 dargestellt sind, verbundenen Beschränkungen diskutiert.
• Die den Gegenstand der Erfindung bildende, in Fig. 11 dargestellte geometrische Form unterscheidet sich von dem bisher Betrachteten durch die speziellen Werte der damit zusammenhängenden geometrischen Verhältnisse h/d zu 1 d/D 1/2 Durch dieses Verhältnis dürfte es möglich sein, die optimale Lösung für eine Entfernung jenes Teils des Materials zu erhalten, der vom neutronischen und Hochtemperaturstandpunkt wenig ausgenutzt ist, um die in Fig. 4 dargestellten Hitzeverformungen zu vermindern. Ein Vergleich mit anderen Lösungen erweist sich als nützlich: Bei den in Fig. 5, 6 und 7 dargestellten Lösungen ist ein Teil des Materials gegen den Umfangsbereich des Pellets hin entfernt, was sich vom neutronischen Standpunkt aus als nützlich erweist, nicht aber bei hoher Temperatur; bei dem in Fig. 10 dargestellten Fall wird möglicherweise auch solches Material entfernt, das an der Kantenverformung des Pelletsnicht teilnimmt und es können Schwierigkeiten bei der Herstellung auftreten.
• Außerdem kann sich sowohl bei Fig. 9 als auch bei Fig. 10 der unter der Annahme, daß h etwa gleich L/2 ist, entfernte Rauminhalt selbst bei kleinen Werten von d als ziemlich groß erweisen. Um die axiale Ausdehnung der in Fig. 9 und 10 dargestellten Formen zu vermindern, kann es notwendig sein, auch auf die Lösungen von Fig. 6 und 7 zurückzugreifen.
• Dagegen ist im Fall von Fig. 11 der Durchmesser d weniger kritisch, und es bleibt der entfernte Rauminhalt in Anbetracht der Tatsache, daß die mit dieser Konfiguration verbundenen Werte von h nicht groß sind, unverändert. Im Fall der Fig. 11 ist es ferner möglich, zusätzlich die in Fig. 5, 6 und 7 dargestellten Lösungen zu ergreifen.
• In dem Fall der Fig. 11 kann jedoch ein durch die Dimensionen (d') und (h') gekennzeichnetes Kantenbrechen ausreichend sein, um den Vorteil einer beträchtlichen Verminderung der Axialausdehnung des Pellets zu erhalten.
• Die in Verbindung mit der den Gegenstand der Erfindung darstellenden Lösung entfernten Rauminhalte sind allgemein klein (1 bis 3 % des Pellets) und hängen sowohl von dem L/D- als auch dem h/d-Verhältnis ab. Es ist zu beachten, daß bei einer Erhöhung von L der Wert des entfernten Minimalvolumens prozentual abnimmt, wie in Fig.5 6 und 7 dargestellt; bei Fig.
• 9 ist dies nicht der Fall, und es braucht auch nicht bei Fig. 10 der Fall zu sein, wenn sich h als einen merklichen Tcil von L erweist.
• Bei der Erfindung hängen jedoch die Abmessungen von h und d nur mit D zusammen, indem für L üblicherweise realisierte Werte angenommen erden (L/D = 1-, oder 5 1).
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Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Kernbrennstoffpellet von im wesentlichen zylindrischer Form, das einem kleineren Ausmaß von Hitzeverformungen und damit einer geringeren Gefahr mechanischer Wechselwirkungen mit der Hülse unterworfen ist, an dessen Grundflächen ein Paar von im wesentlichen konischen und axialen Hohlräumen ausgebildet ist, deren jeweilige Scheitelpunkte zur Pelletmitte gerichtet sind, dadurch gekennzeich -net, daß der größere Durchmesser der im wesentlichen konischen Hohlräume kleiner ist als die oder gleich der Hälfte des Durchmessers des Brennstoffpellets und ferner das Verhältnis zwischen der Tiefe jedes Hohlraums und dessen gröl3erem Durchmesser Icleirler als 1 oder gleich 1 ist.
2. 2. Kernbrennstoffpellet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume eine konische Form aufweisen, deren Scheitelbereich durch eine sphärische Fläche ausgerundet ist.
3. 3. Kernbrennstoffpellet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt längs des Durchmessers aufweisen, wobei sich die Schenkel des U vorzugsweise nach außen, d.h. zu den Grundflächen des Pellets, erstrecken.
4. 4. Kernbrennstoffpellet nach einem der Ansz)rilche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Grundflächen mit einer seitlichen Fase versehen sind, deren Durchmesser 1/10 bis 1/50 des Pelletdurchmesser beträgt.
5. 5. Kernbrennstoffpellet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Pelletgrundfläche außer dem oben erwähnten konischen Hohlraum mit einem sphärischen Hohlraum versehen ist, wobei das Verhältnis zwischen der Krümmung des sphärischen Hohlraums und dessen Sehne kleiner ist als 1/5 und das Verhältnis zwischen der Sehne des sphärischen Hohlraums und dem Durchmesser des Pellets zwischen 0,5 und 0,9 liegt.
6. 6. Kernbrennstoffpellet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Pelletgrundflächen zusätzlich zu dem zugehörigen. Hohlraum mit einem im wesentlichen die Form einer sphärischen Mulde aufweisenden Hohlraum versehen ist, dessen Abmessungen der in Anspruch 5 angegebenen Definition entsprechen.
7. 7. Kernbrennstoffpellet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Grundflächen zusätzlich zu dem zugehörigen Hohlraum mit einem einen im wesentlichen ebenen Boden aufweisenden Hohlraum versehen ist, dessen Seitenwand im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes aufweist und wobei das Verhältnis zwischen der Tiefe dieses Hohlraumes und dem Durchmesser weniger als 1/5 beträgt, wogegen das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Hohlraumes und dem Durchmesser des Pellets zwischen 0,5 und 0,9 liegt.
8. 8. Kernbrennstoffpellet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der im wesentlichen konischen Hohlräume der belden Pelle@grundflächen im Zusammenhang mit seiner größeren Basis mit einer Fase versehen ist, deren Seite zwischen 1/2 und 1/10 des größeren Durchmessers dieses Hohlraumes liegt.