DE1239408B

DE1239408B - Kugelfoermiges Brennstoffelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1239408B
Application number: DEA48383A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Franz Jeitner; Karl Reinhart; Dr Rer Nat Juergen Semmler
Original assignee: Arbeitsgemeinschaft Versuchs-Reaktor Avr GmbH
Current assignee: Arbeitsgemeinschaft Versuchs-Reaktor Avr GmbH
Priority date: 1965-02-12
Filing date: 1965-02-12
Publication date: 1967-04-27
Also published as: US3398052A; CH434499A; GB1082706A; AT263960B

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 g - 21/20

Nummer: 1239 408

Aktenzeichen: A 48383 VIII c/21 g

1 239 408 Anmeldetag: 12.Februar 1965

Auslegetag: 27. April 1967

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kugelförmiges Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einer Kugel aus Moderatormaterial, insbesondere Graphit, mit einem konzentrisch zur Kugeloberfläche angeordneten, im wesentlichen kugelförmigen Hohlraum zur Aufnahme des Spaltstoffs und/oder Brutstoffs.

Kugelförmige Brennstoffelemente für Kernreaktoren, bestehend aus Spaltstoff und Moderator oder Spaltstoff, Brutstoff und Moderator, sind an sich bekannt. Der Spaltstoff und/oder Brutstoff ist hierbei in Ausnehmungen oder Hohlräumen eines kugelförmigen Moderatorkörpers untergebracht. Üblicherweise ist der Hohlraum zur Aufnahme des Spaltstoffs im Zentrum der Kugel angeordnet. Solche Brennstoffelemente lassen sich leichter herstellen und haben eine höhere mechanische Festigkeit als an anderer Stelle schon

vorgeschlagene Brennstoffelemente mit Hohlräumen zur Aufnahme des Spaltstoffs in der Nähe der Oberfläche des Brennstoffelements. Auf der anderen Seite hat jedoch die Anordnung des Spaltstoffs in der Nähe der Oberfläche der Brennstoffkugel den Vorteil einer einfacheren Kühlung. Nach einem älteren Vorschlag ist bei einem kugelförmigen Brennstoffelement ein konzentrisch zur Kugeloberfläche angeordneter, im wesentlichen kugelförmiger Hohlraum zur Aufnahme von Spaltstoff, Brutstoff und Moderator vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits in der Nähe der Oberfläche der Brennstoffkugel einen Hohlraum zur Aufnahme des Spaltstoffs und/oder Brutstoffs zu schaffen und andererseits diesen Hohlraum so anzuordnen und auszugestalten, daß hierdurch weder die mechanische Festigkeit der Moderatorkugel beeinträchtigt noch die Herstellung besonders erschwert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Brennstoffelement der obengenannten Art gemäß der Erfindung in diesen Hohlraum ein rotationssymmetrischer Stab aus Moderatormaterial eingesetzt, und der Spaltstoff und/Oder Brutstoff ist in den vom Stab und der Kugelinnenwand begrenzten ringförmigen rotationssymmetrischen Hohlraum eingefüllt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung können die Figuren dienen. Diese zeigen eine Reihe von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelements. In der F i g. 1 besteht die Hülle des Brennstoffelements aus einer Kugel 1 aus Moderatormaterial, die einen kugelförmigen Hohlraum 2 aufweist. In diesen Hohlraum 2 ist ein zylindrischer Stab 3 eingesetzt, der ebenfalls aus Moderatormaterial besteht. Der Stab 3 wird durch die Einfüllöffnung 4 der Graphithülle 1 eingesetzt. Er dient Kugelförmiges Brennstoffelement für
Kernreaktoren

Anmelder:

ίο Arbeitsgemeinschaft Versuchs-Reaktor AVR
Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Düsseldorf, Luisenstr. 105

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Franz Jeitner,
Karl Reinhart,
Dr. rer. nat. Jürgen Semmler,
Meitingen über Augsburg

gleichzeitig als Verschlußstopfen für die Einfüllöffnung 4, wozu in dem dargestellten Beispiel der obere Teil des eingesetzten Stabes 3 wie die Einfüllöffnung 4 der Hülle 1 mit einem Gewinde versehen ist. In dem der Einfüllöffnung 4 gegenüberliegenden Teil der Moderatorkugel 1 ist eine Vertiefung 5 vorgesehen, in die der Stab 3 eingesetzt ist. Wie die F i g. 2 zeigt, kann auch ein von dem Stab 3 getrennter Verschlußstopfen 6 zum Verschluß der Einfüllöffnung 4 vorgesehen sein. Dieser besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Hohlkugel 1. F i g. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des eingesetzten Stabes 3. Dieser weist einen kugelförmigen Mittelteil 7 auf, der im Zentrum der Hohlkugel 1 angeordnet ist. Hierdurch wird eine noch gleichmäßigere Verteilung des Spalt- bzw. Brutstoffs in bezug auf die Oberfläche der Kugel erreicht. Das Einfüllen des Spalt- und/oder Bratstoffs in den Hohlraum 2 der Hohlkugel 1 kann dadurch erleichtert werden, daß der obere Teil des eingesetzten Stabes 3 kegelförmig ausgebildet wird. Dies zeigt die Fig. 4. Zweckmäßigerweise wird dann der Stopfen 6 auf seiner Innenseite mit einem Hohlkegel entsprechenden Kegelwinkels versehen. Das Einfüllen des Brennstoffs kann jedoch, wie die F i g. 5 zeigt, auch durch im Oberteil des eingesetzten Moderatorstabs 3 vor-

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Claims

gesehene schräge Bohrungen 8 erleichtert werden. Um zu verhindern, daß infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnung des Spalt- bzw. Brutstoffmaterials und des Moderatormaterials der Hülle in dem Brennstoffelement mechanische Spannungen auftreten, kann der eingesetzte Stab 3, wie die F i g. 6 zeigt, mit einem Hohlraum 9 versehen sein. Zur Abdichtung zwischen Brennstoffraum 2 und Verschlußteil 6 bzw. zwischen dem Verschlußteil 6 und dem eingesetzten Stab 3 wird vorteilhafterweise eine Kohlefilz- oder Kohlegewebedichtung 10 verwendet, wie das in der F i g. 7 dargestellt ist. In der F i g. 8 sind noch weitere Maßnahmen erläutert, die zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des kugelförmigen Brennstoffelements beitragen. So hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Verschlußstopfen 6 auf seiner Außenseite kegelförmig auszubilden und die Verschlußöffnung der Hohlkugel 1 mit einer entsprechenden konischen Ausdrehung zu versehen. Wird der Kegel so ausgebildet, daß seine Spitze mit dem Kugelzentrum zusammenfällt, so bildet in der Schnittzeichnung die Trennlinie zwischen dem Verschlußstopfen 6 und der Hohlkugel 1 mit der Kugelperipherie jeweils einen Winkel von 90°. Hierdurch wird eine maximale Festigkeit an dieser Stelle erreicht. Ferner hat es sich als zweckmäßig erwiesen, an der der Einfüllöffnung 4 gegenüberliegenden Stelle der Hohlkugel 1 die Wandstärke der Hohlkugel zu verstärken, so daß diese durch die Ausnehmung 5 zum Einsatz des Stabes 3 nicht zu stark geschwächt wird. Hierdurch ist die Wandstärke der Hohlkugel 1 in der Umgebung 11 der Ausnehmung 5 verstärkt. Eine ähnliche Verstärkung kann auch in der Nachbarschaft der Einfüllöffnung 4 zweckmäßig sein. Eine erfindungsgemäß ausgebildete Brennstoffkugel zeichnet sich nicht nur durch eine erhebliche mechanische Festigkeit aus, sie zeigt darüber hinaus eine günstige Anordnung des Spalt- und, oder Brutstoffs in der Kugel, die eine günstige Kühlmöglichkeit ergibt. Ferner ermöglicht sie die Herstellung von Hohlräumen mit relativ großem Fassungsvermögen; auch kann der Brennstoff in einfacher Weise für die Wiederaufbereitung aus der Kugel entnommen werden. Als vorteilhaft hat es sich hierbei auch erwiesen, daß der Durchmesser des Verschlußstopfens kleiner gewählt werden kann als der größte Durchmesser des ringförmigen Hohlraums, der für die Aufnahme des Spalt- und/oder Brutstoffs bestimmt ist, Hierdurch wird einerseits die Festigkeit der Brennstoffkugel gewährleistet und andererseits die Möglichkeit zur Herstellung eines ausreichend großen Hohlraums gegeben. Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Brennstoffelement kann mit Vorteil für Brennstoffe in Form von Brennstoffpartikeln, die mit einer Umhüllungsmasse, z. B. aus pyrolytischen Graphit, überzogen sind, verwendet werden. Das Moderatormaterial der Hohlkugel wie auch des eingesetzten Stabes und des Verschlußstopfens kann aus Berylliumoxyd oder Berylliumkarbid, mit besonderem Vorteil aber aus Graphit bestehen. Patentansprüche:

1. Kugelförmiges Kernreaktor-Brennstoffele- 6g ment, bestehend aus einer Kugel aus Moderatormaterial, insbesondere Graphit, mit einem konzentrisch zur Kugeloberfläche angeordneten, im

wesentlichen kugelförmigen Hohlraum zur Aufnahme des Spaltstoffs und/oder Brutstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Hohlraum ein rotationssymmetrischer Stab aus Moderatormaterial eingesetzt ist und der SpaltstQff und/oder Brutstoff in den vom Stab und Kugel· innenwand begrenzten ringförmigen rotationssymmetrischen Hohlraum eingefüllt ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Stab zylindrische Gestalt aufweist.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Stab im Bereich des Zentrums der Hohlkugel kugelförmig ausgebildet ist.

4. Brennstoffelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Stab hohl ist.

5. Brennstoffelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Stab gleichzeitig als Verschlußstopfen für die Einfüllöffnung des Brennstoffelements verwendet wird.

6. Brennstoffelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des eingesetzten Stabes mit einem Gewinde versehen ist, das in ein entsprechendes Gewinde der Einfüllöffnung eingreift.

7. Brennstoffelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfüllöffnung durch einen von dem eingesetzten Stab getrennten Verschlußstopfen ver-* schlossen ist.

8. Brennstoffelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Stab an seinem dem Verschlußstopfen benachbarten Ende kegelförmig ausgebildet ist.

9. Brennstoffelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußstopfen auf seiner Innenseite als Hohlkegel mit einem dem eingesetzten Stab entsprechenden Kegelwinkel ausgebildet ist.

10. Brennstoffelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Stab in seinem dem Verschlußstopfen benachbarten Teil schräg nach außen verlaufende Bohrungen zur Erleichterung des Einfüllens des Spaltstoffs aufweist.

11. Brennstoffelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich-net, daß der Außenteil der Bohrung der Einfüllöffnung und des dazugehörigen Stopfens kegelförmig ausgebildet ist,

12. Brennstoffelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze des von dem Außenteil der Einfüllöffnung gebildeten Kegels mit dem Kugelzentrum zusammenfällt.

13. Brennstoffelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkugel eine den eingesetzten Stab aufnehmende Vertiefung aufweist.

14. Brennstoffelement nach einem oder mehre* ren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Hohlkugel an der der Vertiefung benachbarten Stelle verstärkt ist.

15. Brennstoffelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung des mit dem Spaltstoff