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Kernbrennstoffelement
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Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement, das insbesondere
ein Hüllrohr und eine Vielzahl zylindrischer Brennstofftabletten aufweist, von denen
jede ein zentrales durchgehendes Loch aufweist, das sich längs ihrer Achse erstreckt.
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I Es sind viele Versuche unternommen worden, ein Brennstoffelement
so auszubilden, daß ein Lastfolgebetrieb eines Kernreaktors vollständig verwirklicht
wird. Gegenwärtig wird jedoch die Wiederinbetriebnahme des Reaktors im allgemeinen
dadurch ausgeführt, daß fortschreitend und langsam die Ausgangsleistung erhöht wird,
da im Brennstoffhüllrohr aufgrund einer Wechselwirkung zwischen dem Hüllrohr und
der Tablette, die im folgenden als PCI bezeichnet wird, Risse erzeugt werden. Diese
fortschreitende Arbeitsweise, wie sie beschrieben wurde, beruht auf der Tatsache,
daß zylindrische Tabletten, beispielsweise die in Fig. 1 dargestellten Tabletten
10, leicht in erheblichem Ausmaß Risse bilden und verformt werden und zwangsweise
mit dem Hüllrohr in Berührung gebracht werden, was zur Folge hat, daß sich die PCI-Wechselwirkung
ergibt, wenn die Ausgangsleistung des Reaktors zunimmt. Wenn nämlich das Brennstoffelement
im Kernreaktor einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, wird eine große Anzahl von
Rissen in der Kernbrennstofftablette aufgrund des großen Temperaturgradienten in
radialer Richtung der Tablette erzeugt, was zur Folge hat, daß sich eine Anzahl
von Bruchstücken der Tablette ergibt. Die Bruchstücke der Tablette, die durch Rißbildungen
erzeugt werden, werden zangsweise nach außen bewegt und liegen eng an der Innenfläche
des Hüllrohres, was zu örtlichen Spannungen an
der Innenfläche des
Hüllrohres aufgrund der thermischen Ausdehnung und des Anschwellens usw. während
der Zunahme der Ausgangsleistung des Kernreaktors führt. Wenn weiterhin die Ausgangsleistung
des Kernreaktors auf einen höheren Wert zunimmt, werden die Bruchstücke der Tablette
sanduhrförmig verformt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, wobei die Bruchstücke
der Tablette aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen der Tablettenmitte und
der Tablettenaußenseite und aufgrund eines kleinen Unterschiedes in der Brennstoffdichte
in Längsrichtung der Tablette nach außen verzogen sind. Das bedeutet, daß eine zylindrische
Tablette,in der sich Risse befinden, die Außenform einer Sanduhr bei der Reaktorbenutzung
hat. Es wird daher eine große Spannung örtlich an der Innenfläche des Hüllrohres
an der Stelle entwickelt, die einem Riß gegenüberliegt, der im oberen und unteren
Teil einer Brennstofftablette mündet, so daß eine Spannungskonzentration bewirkt
wird. Das Hüllrohr wird an den Teilen mit Spannungskonzentrationen beschädigt oder
vollständig brechen, wenn die Konzentration der Spaltprodulrte, die im folgenden
als FP-Produkte bezeichnet und vom Kernbrennstoffmaterial freigegeben werden, im
Füllrohr zunimmt, wenn das Brennstoffelement im Reaktor abbrennt und die Spannung
in der korrodierenden Umgebung derartiger FP-Produkte zunimmt. Das ist der Grund,
warum schnelle Änderungen oder Zunahmen in der Reaktorausgangsleistung insbesondere
bei höherer Ausgangsleistung definitiv verboten sind.
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Es ist weiterhin versucht worden, eine zylindrische Kernbrennstofftablette
12 zu bilden und zu verwenden, die in Fig. 3 dargestellt ist und ein zentrales durchgehendes
Loch 14 aufweist, das sich über die Achse der Tablette erstreckt.
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Dieser Versuch wurde in gewissem Simple als erfoAgversprechend angesehen,
da diese Art einer Tablette mit einem axialen und zentralen durchgehenden Loch keinen
zentralen Bereich mit hoher Temperatur hat. Die thermische Ausdehnung
und
das Freisetzen der FP-Produkte von diesem zentralen Bereich sind nämlich ausgeschlossen,
und die Konzentration der FP-Produkte, die von der Tablette freigegeben werden,
ist, verglichen mit einer herkömmlichen zylindrischen Tablatte, die in Fig. 1 dargestellt
ist, vermindert. Die PCI-Wechselwirkung kann daher verringert werden.
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Wenn jedoch derartige ringförmige zylindrische Tabletten 12 einfach
in ein herkömmliches Hüllrohr eingebracht und im Hüllrohr übereinander angeordnet
werden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, werden an der Außenfläche der durchgehenden
Löcher der Tabletten viele Risse erzeugt, was zur Folge hat, daß Tablettenspitter
oder -schnitzel (Icleine Teilchen der Tablette) 15 und pulverförmige Teilchen des
Brennstoffmaterials sich in den durchgehenden Löchern der tiefer angeordneten Tabletten
ansammeln, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Das führt zu einer übermäßigen Zunahme
in der Wärmeerzeugung vom Brennstoffmaterial an diesem Teil, an dem sich die Tablettenteilchen
sammeln. Dernentsprechend nimmt die PCI Wechselwirkung schnell mit zunehmender Reaktorausgangsleistung
zu, was zu einer Beschädigung des Brennstoffelemenge führt.
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Durc die Erfindung soll ein verbessertes Kernbrennstoffelement geschaffen
werden, das insbesondere eine geringere PCI Wechselwirkung zeigt, wenn die Ausgangsleistung
in eie nem Kernreaktor abrupt zunimmt, eine Beschädigung und einen Bruch vermeidet,
wenn die Ausgangsleistung des Kernreaktors schnell hochgefahren wird und einen Lastfolgebetrieb
des Kernreaktors erlaubt.
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Das erfindungsgemäße Kernbrennstoffelement umfaßt dazu ein Hüllrohr
und eine Vielzahl von zylindrischen Brennstofftabletten, die darin übereinander
angeordnet sind, wobei jede Tablette ein zentrales durchgehendes Loch längs der
Tablettenachse
aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffelement im unteren Teil
des Hüllrohres einen Raum zum Sammeln von kleinen Teilen und pulverförmigen Teilen
der Tabletten aufweist, die von den Oberflächen der durchgehenden Löcher der übereinander
angeordneten Tabletten abfallen.
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Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in einer perspektivischen
Ansicht eine herkömmliche zylindrische Brennstofftablette, Fig. 2 eine perspektivische
Ansicht einer typischen Verformung der herkönmlichen, in Fig. 1 dargestellten Tablette,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer zylindrischen Brennstofftablette, die
ein zentrales durchgehendes Loch aufweist, das sich über die Tablettenachse erstreckt,
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Kernbrennstoffelementes, in dem die ringförmigen
zylindrischen Brennstofftabletten, die in Fig. 3 dargestellt sind, übereinander
angeordnet sind, Fig. 5 eine Schnittansich-t eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Kernbrennstoffelementes,
und Fig. 6 eine Schnittansicht des in Fig. 5 dargestellten Kernbrennstoffelementes
nach einer Langzeitverwendung.
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Wie es in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, ist die Kernbrennstofftablette
12, die bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffelementes versandt
wird, von einem Typ ähnlich dem in Fig. 3 dargestellten Tablettentyp mit zylindrischer
Form und einem zentralen durchgehenden Loch 14, das sich längs der Tablettenachse
erstreckt. Die ringförmigen zylindrischen Tabletten 12 sind übereinander derart
angeordnet, daß sie auf eine Höhe von 3 bis 4 m in einem Hüllrohr 16 aufgestapelt
sind. Das Hüllrohr 16 wird dann mittels eines oberen Endstopfens 18 und eines unteren
Endstopfens 20 dicht verschlossen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die übereinander angeordneten Tablet ten im Hüllrohr mittels einer Schraubenfeder
24 und einer Preßmetallplatte 22 gehalten. Vorzugsweise ist das untere Ende der
Schraubenfeder 24 mit der oberen Außenfläche der Preßplatte 22 punktverschweißt.
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Der wesentliche Unterschied zwischen dem herkömrnlichen, in Fig. 4
dargestellten Brennstoffelement und dem erfindungsgemäßen Brennstoffelement ist
der Aufbau zwischen der untersten Tablette der übereinander angeordneten Tabletten
und dem unteren Endstopfen 20. Gemäß der Erfindung ist ein Raum 26 zum Sammeln der
kleinen Tablettenteile zwischen der untersten Tablette und dem unteren Endstopfen
20 vorgesehen.
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Der Raum 26 hat die Furilction, die kleinen Tablettenteile und die
pulverförmigen Teilchen des Brennstoffmaterials aufzunehmen und zu sammeln, die
von den Außenfläche der durchgehenden
Löcher 14 der übereinander
angeordneten Tabletten 12 abfallen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist unter der untersten
Tablette eine Wärmeisolierscheibe 28 mit einem zentralen Loch angeordnet, dessen
Durchmesser größer als der des durchgehenden Loches der untersten Tablette ist.
Ein im wesentlichen zylindrischer Behälter 30 ist zwischen der Wärmeisolierscheibe
28 und dem unteren Endstopfen 20 angeordnet.
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Der zylindrische Behälter 30 weist einen rohrförmigen Seitenwandteil
72 und einen ringförmigen oberen Haltewandteil 34 mit einer zentralen Öffnung 36
auf, deren Durchmesser größer als der des zentralen Loches der Wärmeisolierscheibe
28 ist.. Das Innenvolumen des zylindrischen Behälters 30 begrenzt den Raum 26 zum
Aufnehmen und Sammeln der kleinen Tablettenteile 15, und die Wände des zylindrischen
Behälters 30 haben gleichfalls die Funktion, die ärmeisolierscheibe 28 und die übereinander
angeordneten Tabletten zu halten.
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Fig. 6 zeigt im einzelnen die Beschaffenheit der Brennstofftabletten
von Fig. 5 nach ihrer Verwendung im Reaktor. Die kleinen Tablettenteile 15 und die
pulverförmigen Teilchen des Brennstoffmaterials sind von den Außenflächen der durchgehenden
Löcher 14 der übereinander angeordnten Tabletten 12 während des Betriebes des Reaktors
abgefallen und im Raum 26 des Behälters 30 aufgenommen und gesammelt. Im Gegensatz
zu dem herkömmlichen Brennstoffelement, das in Fig. 4 dargestellt ist, sind daher
die kleinen Tablettenteile nicht in den durchgehenden Löchern der tiefer angeordneten
Tabletten aufgehäuft, so daß in den unteren Tabletten die PCI Wechselwirkung nicht
abrupt zunimmt, was eine Beschädigung oder ein Ausfallen des Kernbrennstoffelementes,
insbesondere bei einer Zunahme der Ausgangsleistung, vermeiden kann.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
der
Behälter zylindrische mit einem in einem Stück geformten Boden ausgebildet. Er kann
jedoch auch die Form eines Korbes oder einer rohrförmigen Hülse haben, was nicht
dargestellt ist. Je nach Wunsch kann das in dieser Weise ausgebildete Behälterelement
in einem Stück mit dem unteren Endstopfen 20 ausgebildet sein.
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Der Raum 26 des Behälters 30, in dem die kleinen Tablettenteile und
Tablettenpulverteilchen gesammelt werden, ist so ausgelegt, daß er groß genug ist,
um die kleinen Teile und Pulverteilchen der Tabletten aufzunehmen, von denen angenommen
wird, daß sie von den im Hüllrohr übereinander angeordneten Tabletten abfallen.
Vorzugsweise hat der Raum 26 ein Volumen, das im wesentlichen gleich dem von einigen
Tabletten ist. Der Behälter 30 besteht vorzugsweise aus einem material mit der gewünschten
chemischen Verträglichkeit mit dem Hüllrohr und dem unteren Endstopfen 20,beispielsweise
aus einer Zirkonlegiorung, Edelstahl usw.
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Damit die kleinen Tablettenteile gleichmäßig und reibungslos durch
die durchgehenden Löcher der übereinander angeordneten Tabletten nach unten fallen
und ein Blockieren der kleinen Tablettenteile in den durchgehenden Löchern der übereinander
angeordneten Tabletten vollständig vermieden wird, ist es bevorzugt, daß die Brennstofftabletten
so ausgelegt sind, daß die unteren Tabletten in der Übereinanderanordnung im Hüllrohr
durchgehende Löcher haben, deren Durchmesser größer als der der oberen Tabletten
ist.
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Es ist eine Tatsache, daß das Brennstoffelement bei seiner Verwendung
im Reaktor die größte Wärme an den Tabletten erzeugt, die sich in Längsrichtung
im mittleren Teil des Hüllrohres befinden. Das bedeutet, daß eine große Menge an
kleinen Tablettenteilen von den Außenflächen der durchgehenden Löchern der Tabletten
abfällt, die sich im mittleren
Teil des Brennstoffelementes befinden.
Das beruht darauf und steht damit in Verbindung, daß das Wiedersintern bei etwa
17000C oder mehr in Urandioxidtabletten auftritt,und Blasen in derartigen Tabletten
zum mittleren Bereich in der Tablette wandern. Ein derartiger mittlerer Bereich
in den Tabletten, der oftmals aufgrund der Blasenkonzentration kleine abspringende
Tablettenteilchen erzeugt, erstreckt sich nahezu über 1/3 des Radius bis zur Hälfte
des Radius der Tablette, wenn sich die Tablette in Längsrichtung im mittleren Teil
des Brennstoffelementes befindet. Wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, ist
es daher bevorzugt, daß die durchgehenden Löcher der unteren Tabletten in der Ubereinanderanordnung
der Tabletten einen größeren Durchmesser als die durchgehenden Löcher der oberen
Tabletten haben, so daß die kleinen Tablettenteile, die von den Tabletten erzeugt
werden, die sich im mittleren Bereich des Hüllrohres befinden, reibungslos nach
unten in den Raum 26 des Behälters 30 ohne Behinderung oder Blockierung fallen können.
Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus ist es nicht wünschenswert, den Durchmesser
der durchgehenden Löcher der oberen Tabletten in der Übereinanderanordnung von Tabletten
fortlaufend in Richtung auf die unteren Tabletten zu erhöhen, so daß Tabletten ausgebildet
sein können, die beispielsweise mittlere durchgehende Löcher mit drei verschiedenen
Durchmessern haben.
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Gemäß der Erfindung kann die mechanische PCI Wechselwirkung selbst
dann minimal gehalten werden, wenn eine schnelle Zunahme in der Ausgangsleistung
des Kernreaktors auftritt. Die Gefahr einer Beschädigung und des Ausfallens des
Kernbrennstoffelementes kann somit vermindert erden, und es kann ein Lastfolgebetrieb
des Leistungsreaktors verwirklicht werden.