DE1207520B - Kernreaktor-Brennelement - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21c

Deutschem.: 21g-21/20

Nummer: 1207 520

Aktenzeichen: U 8152 VIII c/21 g

Anmeldetag: 4. Juli 1961

Auslegetag: 23. Dezember 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennelement mit einem in einer Schutzhülle eingeschlossenen Stapel von sich stirnseitig berührenden Brennstoffpellets, die mindestens an einer Stirnseite eine mittige Aussparung aufweisen.

Solche Brennstoffelemente werden in Kernreaktoren verschiedener Typen verwendet.

Es scheint mit keinem der herkömmlichen Hüllenwerkstoffe möglich zu sein, der Wärmeausdehnung von Brennstoffpellets aus Uranoxyd zu entsprechen, und daraus entsteht das Problem der unterschiedlichen Ausdehnung zwischen Brennstoff und Hülle. Mit rostfreiem Stahl als Hüllenwerkstoff wird dieses Problem noch schwieriger, da die Hülle notwendigerweise so dünn wie möglich gemacht werden muß, weil die Neutronenabsorption von rostfreiem Stahl verhältnismäßig hoch ist.

Wenn man den Wärmeausdehnungskoeffizienten von rostfreiem Stahl mit 19 ■ 10-⁶/°C und den von Urandioxyd mit 10,5-10-V⁰C annimmt, wird bei gleicher Temperatur von Hülle und Brennstoff sich die Hülle stärker als der Brennstoff ausdehnen, und daher sollte eigentlich keine Spannung in der Umhüllung auftreten. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß tatsächlich Spannungen auftreten. Dies liegt daran, daß die zentrale Brennstofftemperatur während des Betriebs (z.B. 1300⁰C) viel höher liegt als die Hüllentemperatur (z.B. 600⁰C), was sich in einer größeren axialen Ausdehnung des Brennstoffstapels als der der Hülle bemerkbar macht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kernreaktor-Brennelement zu schaffen, dessen mittige Pelletbereiche sich ungehindert axial ausdehnen können.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Aussparungen der Pellets mit flachen Stirnrandzonen versehen sind, über die einander zugeordnete Pellets in Berührung stehen, und daß die maximale Tiefe und der Durchmesser der Aussparungen in bezug auf die Länge und den Durchmesser der Pellets derart bemessen sind, daß eine ungehinderte axiale Ausdehnung der mittigen Pelletbereiche in die von jeweils zwei Pellets begrenzten Aussparungshohlräume stattfinden kann.

Dabei beträgt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die maximale Tiefe der Aussparungen ein Hundertstel bis ein Tausendstel der Länge der Pellets und der Durchmesser der Aussparungen 50 bis 80% des Durchmessers der Pellets.

Weil ein Temperaturgefälle von der Mitte der Brennstoffpellets zur äußeren Oberfläche derselben vorhanden ist, gibt es einen ringförmigen Außenbereich jedes Brennstoffpellets, wo die Temperatur Kernreaktor-Brennelement

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:
Peter Waine, London

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 12. Juli 1960 (24 245),
vom 22. Juni 1961

nicht dazu ausreicht, daß dort das Problem der unterschiedlichen Ausdehnung in bezug auf die Hülle auftritt. Die Berührungsrandzonen der Pellets gemäß der Erfindung stellen jeweils den ringförmigen Bereich dar, wo keine unterschiedliche Ausdehnung erfolgt, und die Aussparungen in den Endflächen der Pellets

gemäß der Erfindung gestatten den mittleren Bereichen der Pellets die größere Ausdehnung, die auf Grund der höheren Temperatur auftritt, ohne daß eine Berührung innerhalb der Aussparungen stattfindet, die sonst zu einer Beanspruchung der Hülle führen würde. Durch die Erfindung wird daher eine unterschiedliche Ausdehnung von Brennstoffstapel und -hülle mit daraus folgender Beanspruchung der Hülle vermieden.
Eine Ausführungsform eines Brennelements gemäß der Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung, die eine Seitenansicht im Teilschnitt darstellt, näher erläutert werden. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist das Brennelement 1 einen Stapel von siebenundvierzig dichtgepackten, festen Brennstoffpellets 2 aus UO₂ von zylindrischer Form auf, die innerhalb einer dichtanliegenden Schutzhülle 3 aus rostfreiem Stahl angeordnet sind. Jedes Brennstoffpellet hat abgeschrägte Endkanten 4, die durch Schleifen hergestellt werden und die nach innen gerichtete Flächen bilden, wenn, die Brennstoffpellets 2 in die Hülle 3 zur Montage des Brennelements 1 eingeführt werden.

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Die Enden der Hülle 3 sind durch Endkappen 5, 6 element abkühlt, zieht sich die Hülle 3 um die Brennaus rostfreiem Stahl verschlossen, die durch wärme- stoffpellets 2 zusammen.

isolierende Zapfen 7, 8 aus gesintertem Ton von dem Für eine Gesamtprüfung auf Undichtigkeiten wird Stapel der Brennstoffpellets 2 getrennt sind. Die das Brennelement 1 wieder erhitzt, so daß sich die Endkappen 5, 6 weisen eine leichte Verjüngung auf 5 kleine Heliummenge, die noch in der Hülle 3 ent-(0,05 mm pro Zentimeter Länge), so daß sie, wenn halten ist, ausdehnt, und die Hülle, die Endkappen sie eingeführt sind, in den Enden der Hülle 3 eine und die Schweißnähte an den Kanten werden dann Preßpassung (d. h. einen strengen Sitz) aufweisen. mit einem Gasanzeigegerät auf ausströmendes Helium Die Grundflächen 18,19 der Endkappen 5, 6 haben geprüft. In der Hülle 3 enthaltenes Helium verbessert einen verkleinerten Radius, so daß sie leicht in die io die inneren Wärmeaustauscheigenschaften des Brennentsprechenden Enden der Hülle 3 eingeführt werden elementes.

können. Die Kanten der Endkappen 5 und 6 sind Die abgeschrägten Enden 4 der Brennstoffpellets 2

mit der Hülle 3 durch Schweißnähte 9,10 (im Argon- dienen einem doppelten Zweck. Sie mindern beim

Lichtbogen) dicht verbunden, die durch ringsum- Einführen der Brennstoffpellets 2 in die Hülle 3 die

laufende Widerstandsschweißnähte 11,12 zusätzlich 15 Gefahr des Bruchs der führenden (abgeschrägten)

verstärkt sind. Enden, und sie ermöglichen, die Hülle 3 bei der

Die Enden der Brennstoffpellets 2 weisen glatte Montage durch äußere Druckeinwirkung den Brenn-

Ränder 2 a sowie in der Mitte Aussparungen 16 auf. stoffpellets 2 anzupassen.

Die Aussparungen 16 haben eine solche Abmessung, Das Brennelement 1 weist weiterhin folgende Einzel-

daß Spannungen, die mit den Temperaturänderungen 20 heiten auf:

im Brennstoff in der Hülle 3 auftreten, durch die _{Lä der} Brennstoffpellets 2 etwa 10 mm

Temperatur des Brennstoffs am Umfang der Aus- _Durchmesser der Brennstoffpellets 2 etwa 10 mm

sparungen 16, wo d_ie Pellets einander berühren, regu- Gesamtlänge der gestapelten Brenn-

hert werden. stoffpellets 2 etwa 470 mm

^ _t ,_ . . „ _β stoffpellets 2 etwa 470 mm

/ n^o^SparUngfⁿ · hab^en eine geringe Tiefe _{a5 Innendurch}messer der Hülle 3 ..... etwa 10 mm

(etwa 0,038 mm oder, im Fall einer einseitigen Ver- _{Wandstärke der} Hülle 3 etwa 0,4 mm

tief ung etwa 0,076 mm) und lassen em gewisses Maß, _{Lä der} Wärmeisolierungszapfen 7

an axialer Ausdehnung des Stapels von Brennstoff- _UQ(j g _etwa g 5 _mm

pellets 2 in der Mitte derselben zu (wo die Temperatur _Gesamti_äng_e des' Brenne'lements'i''.'. etwa 51θ' mm

bis zu 1500 C ansteigen kann); selbst bei dieser 30 _{Länge der} Eridkappen 4 und 5 etwa 10 mm

Temperatur kann der Mitteibereich eines Brennstoff- _Wandstärke der Endkappen 4 und S etwa 0,4 mm

pellets 2 den Mittelbereich eines benachbarten

Brennstoffpellets nicht berühren. Um die »theoretische« Tiefenabmessung und die

Die Brennstoffpellets 2 werden aus pulverisiertem Radien der Aussparungen 16 zu bestimmen, wird ein UO₂ hergestellt, das gemahlen, mit einem Bindemittel 35 hypothetisches Brennelement mit Brennstoffpellets mit gemischt und anschließend in Formen gepreßt wird, flachen Enden als Rechnungsgrundlage genommen, wobei »grüne« Pellets entstehen, die später getrocknet und es werden die höchsten Betriebstemperaturen des und dann bei 1600⁰C 3 Stunden gesintert werden. Brennstoffs und der Hülle berechnet. Als nächstes Die Aussparungen 16 werden beim Pressen gebildet, werden die Gesamtausdehnung des Brennstoffs (in und ihre endgültige Tiefe wird durch Abschleifen der 40 seinem höchsten Temperaturbereich) und der Hülle Endflächen der Pellets 2 auf etwa ± 0,0126 mm genau bestimmt, und ihre Differenz wird durch die Zahl der bestimmt. Brennstoffpellets im Brennelement geteilt, woraus sich

Die Außenfläche der Hülle 3 ist mit einer Reihe die mittlere Maximalausdehnung für jedes Pellet von Rippen 13 versehen, die sich um den Umfang relativ zur Hülle ergibt. Diese mittlere relative Auserstrecken und sowohl den Wärmeaustausch als auch 45 dehnung entspricht der Tiefenabmessung, die für eine die Festigkeit der Hülle verstärken. Das Brenn- Aussparung nur an einem Ende erforderlich ist, und element 1 ist eines der einundzwanzig gleichen Brenn- es wird für »doppelseitige« Aussparungen halbiert,
elemente, die eine gemeinsame Gruppe von Brenn- Aus einer Kurve der berechneten Betriebstemperaturelementen bilden, und die Enden der Hülle 3 weisen verteilung über ein Brennstoffpellet (die sich aus der Flansche 14,15 zum Halten und zum Tragen der ein- 50 Kenntnis von Leitfähigkeit und Wärmefluß ergibt) zelnen Brennelemente durch gitterartige Gestelle auf, wird ein Radius gefunden, bei dem eine Temperatur die einen Teil des Gesamtaufbaues bilden. gleichen Ausdehnungen von Brennstoff und Hülle ent-

Das Brennelement 1 wird auf folgende Weise zu- spricht, und dieser Radius wird gleich den Radien sammengebaut: Zuerst wird die Endkappe 6 in das der Aussparungen.

eine Ende der Hülle 3 passend eingeführt und dort 55 Für einen gasgekühlten Kernreaktor mit Graphitdurch Schweißnähte 10,12 befestigt. Beim nächsten moderator von 100 MW (Wärme) Ausgangsleistung Schritt wird die Hülle 3 evakuiert und dann erhitzt, mit einer Kernauslaßtemperatur von 575⁰C, einem so daß sie sich ausdehnt. Die Brennstoffpellets 2 und oben beschriebenen Brennelement 1, das mit einer die wärmeisolierenden Zapfen 7,8 werden dann in Hüllentemperatur von 600⁰C arbeitet, einer inneren einer Heliumatmosphäre in die Hülle eingebracht, 60 Brennstofftemperatur von 1300° C und einer Brennwobei die Ausdehnung der Hülle ein leichtes Ein- Stofftemperatur von 1080° C, wo die Brennstoffbringen ermöglicht. Die Heliumatmosphäre wird ausdehnung gleich der Hüllenausdehnung ist, beträgt aufrechterhalten, während die Endkappe 5 in das die berechnete Tiefe der Aussparung 16 für ein zweioffene Ende der Hülle 3 eingesetzt und an der Hülle seitig ausgespartes Pellet 0,015 mm, und der Radius zuerst durch die Schweißnaht 11 und dann durch die 65 beträgt 3,5 mm.

Schweißnaht 9 befestigt wird, wobei die Schweiß- Es könnten auch Aussparungen von dreieckigem

naht 11 auf Undichtigkeiten geprüft wird, bevor die oder rechteckigem Querschnitt verwendet werden, ob-Schweißnaht 9 hergestellt wird. Wenn sich das Brenn- wohl die teilkugelförmige Art im allgemeinen vor-

gezogen wird, da sie sich durch Pressen und anschließendes Schleifen gut herstellen läßt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennelement mit einem in einer Schutzhülle eingeschlossenen Stapel von sich stirnseitig berührenden Brennstoffpellets, die mindestens an einer Stirnseite eine mittige Aussparung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (16) der Pellets (2) mit flachen Stirnrandzonen (2 a) versehen sind, über die einander zugeordnete Pellets in Berührung stehen, und daß die maximale Tiefe und der Durchmesser der Aussparungen in bezug auf die Länge und den Durchmesser der Pellets derart bemessen sind, daß eine ungehinderte axiale Ausdehnung der mittigen Pelletbereiche in die von jeweils zwei Pellets begrenzten Aussparungshohlräume stattfinden kann.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Tiefe der Aussparungen ein Hundertstel bis ein Tausendstel der Länge der Pellets und der Durchmesser der Aussparungen 50 bis 80% des Durchmessers der Pellets beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 800 397.

Bei der Bekanntmachung der Anmeldung ist ein Prioritätsbeleg ausgelegt worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 759/436 12.65 ® Bundesdruckerei Berlin