DE1439781A1 - Kernreaktor-Brennelement - Google Patents

Description

UlIIfSD KINGDOM ATOMIC £Ν1^ΗΟΪ AUTHURIIi, Patent· Branoh, 11-12» Charl·· II Street, London, SeW.1., England.

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PUr dl··· Anmeldung wird die Priorität au· der britischen Patentanmeldung Nr. 11413/61 vom 28. Mars 1961 beansprucht.

Kernreaktor-Brennelement

Di· Erfindung beeieht sieh auf umhüllte Brennelemente ftlr Kernreaktoren. Über bsw. duroh dl· Umhüllung wird dl· duroh Spaltung de· Brennstoff· erseugte Warme naoh des während dee Reaktorbetrieb· Über da· Element etrömenden Kühlmittel geleitet oder Übermittelt, und daher sind lietriebebe-

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dingungen erforderlich, welche die Wärmeübertragung zwischen Brennstoff und Umhüllung fördern, ro dann die Brennelementt em per a tür innerhalb eines zulässigen oder gUnatl^en Bereiches geh.ilten wird.

Die Auedehnung des Brennstoffe während dar Bestrahlung im Reaktor ist ein faktor, welober es außerordentlich erschweren kann, eine Thermalbindung /thermal bond/ von gleichförmigen oder einheitlichen WHrmeÜbertragungs-Charnkteristiken bzw. -Merkmalen »wischen Brennstoff und Umhüllung aufrechtzuerhalten. Wenn «ich auch im Falle einer unmittelbaren Berührung an der Zwiechenfläche zwischen Brennstoff und Umhüllung die Anfangestufen der Bestrahlung vorteilhaft auf den Kontaktbew. Berührungβdruck auswirken, so wird bald der Zustand erreicht» wo dieser wachsende Bruok die Umhüllung zu sehr beansprucht, und die Lebensdauer des Brennelementes wird dadurch unnötig begrenzt.

Eine Alternative zur unmittelbaren Berührung an der ZwI-aehenflfiche besteht darin, die Hüll· mit Toleranesitz über dem Brennstoff anzubringen und einen durchgehenden z^iechengelegenen Metallbindekörper /metal bond/ im swisohengelegenen Toleraneraum vorzusehen. Mn Metall mit niedrigen Schmelzpunkt, z.B. Natrium, wird normalerweise für jeden Bindekörper vorgezogen, so dans es Innerhalb der Betriebetemperatur des Brennelements flüssig ist und daher auη dem Toleranzraum entfernt und in diesen rüokgeführt werden kann, um Differential-Thermalautidehnungen zu kompensieren. Derartige Bewegungen des Bindemetalls wirken sieh

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In der ^eI se au«, dann die Zwischenlage-Kontinuität /interlayer continuity/ unterbrochen wird, welohe in jedem ?alle schwer aufrechtzuerhalten 1st; folglich kann das Vorhandensein der Zwischenlage nicht garantiert werden, und es ergibt eich die Schwierigkeit , dass oine starke ,Erhitzung den "re.inptoffe an der Stelle einer Lücke oder t.inen 'Vpaltep auftritt. Hurch die vorliegende ;rfindunf, wird ein metallisch umhUlltoe Ironnelement für einen Kernreaktor geschaffen, bei welchem (element) ein integrales /integral/ LiingHstiick dee Kernbrennstoffe innerhalb der Umhüllung und in unmittelbarer Berührung über eeinen Ausaenumfang alt dieser geschlitzt ausgebildet ist, und zwar auf ein· Viefenabmeseung, die bip eun Mittelpunkt dee Hrennetoffabfichnitte an allen Punkten der LHnge reicht* wobei der eich dadurch ergebende Leerraum innerhalb der Hülle mit eines komprimierbaren Medium ausgefüllt wird. Die Schlitze sind BU dem Zweck rorgeeehen, dem Brennstoff abschnitt fthnlich einem gesohliteten Ring RadlalfXaetisltat zu rermitteln, wodurch der BerUhrungedruok de» fttennetoffs gegen die Umhüllung, der «war sunlmnt₍ während dar Brennstoff sich ausdehnt, infolge der ElastimitHt des Abschnittes eine Verringerung erfährt. Diene Eigentümlichkeit des Brennstoffe erleichtert auch die Herstellung von Brennstoffelementen, derart, dn^n ein nomineller Interferenz ei t ζ des Brennstoffe in der ^T''ille zwecke anfänglicher Sicherρteilung einer unmittelbaren berührung bestimmt werden kann, ohne dass genaue Toleranzen eingehalten werden müssten.

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In eimselnen besteht gemäss der Erfindung in einen metalluahüllten Brennelement für einen Kernreaktor der Brennstoffgehalt innerhalb der Umhüllung aus mindestens einer integralen Länge Kernbrennstoff rohrförmigen Querschnitte, der fortlaufend oder durchgehend vom einen Ende eum anderen geschlitzt ausgebildet ist und Bich über den Auseenumfang hinweg in unmittelbarem Kontakt mit der Umhüllung befindet, wobei der vorumeohriebene Leerraum an der Innenseite der Hülle mit einem komprimierbaren Medium gefüllt wird*

Die Erfindung eoll nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden» und «war eeigt Pig. 1 einen Längsschnitt, während

Pig· 2 einen Querschnitt entlang der Linie H-II Ton 71g. 1 wiedergibt.

Dae dargestellte Brennelement hat die Form einer"Brennstoff nadel" oder eines Brennstoffstabs, welche oder welcher in einer Brennelement-Untergruppe, wie sie für einen Sohnellreaktor geeignet ist, mit anderen derartigen Stäben gebündelt wird. Vier Brennstoffsegments 12» 13» 14» 15 τοη im wesentlichen rohrförmigen! Querschnitt, die zwischen einander gegenüberliegenden Bchüseelförmigen Flächen von Endpfropfen 16 und 17 mit abgerundeten Enden gestapelt sind, sind eng oder genau in eine «ylindriech· Metallhülle 11 eingepasst. Die Endabeohnitte der Hülle 11 Bind über diese abgerundeten Enden hinweg pressrerformt, und swar als Verstärkung für Verbindungen oder Abdichtungen, die durch Punktschwelssen «wischen den Endpfropfen und der Hülle hergestellt sind.

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Jedee der Brennetoffsegmente weist durchgehend von dem •lntn End· naoh dom anderen einen geraden Radialachlitz, vie bslsplelswelee 18, auf, deeeen Breitenabmeeeung geringer als der Durohmeesor de· Mittel-Loob· duroh das Segment 1st, um mit die··* Loeh smsammen eine Sohlttesollooh-Umfang·- oder Begrensungalinle au bilden, wie in ?ig. 2 am beaten zu ersehen. Jedee geeohlltste Segment rerbleibt dabei eine Integrale bsw. •inetüekige Maeeei ee kann beieiieleweiee au· angereichertem Uranmetall oder Urandlexyd, da· durch Sintern eelbetbindend gemaeht 1st, auaaamengeeetat »ein· Obwohl die Sohlitso in den einzelnen Segmenten In Pluoht geaelgt aind, können ei· in beliebigen winkeligen Beaiehungen luelnander angeordnet eein. line Alternatire aur geradlinigen Auabildung dea Schlitzes let ea, ihn eohraubenllnienfOmiig mit einer Ganghöhe eu formen, die ein Mehrfaohee dee Segmentdurohmeeeers beträgt.

Der Leerraum an der Innenaeite der R(IlIe 11 wird mit einem Oam gefüllt, da· dl· Wärmeübertragung begünatigt und gegenüber dem Brennstoff der Segmente inert ist· Dienes Qae steht unter einem uberatmoephärendruok, Torsugswelee τοη mehreren Atmoafbären, da In dieaem Zustand seine Wftraeleitfnhigkeit verbeaaert wird· Geeignete Oaae sind hierfür Waeeerntoff und Helium.

Während der Herstellung dee Brennstoffetabes 1st der Sits der Brennetoffelemente In der Hülle viel weniger kritieoh al· dann, wenn dl· geeohlitste Form nloht angewandt würde. Ausserdem wird dadureh eine lelohte Interferenspaeeung /interferenoe fit/ praktieoh ausführbar, und dies· 1st beeondere Torteilhaft. An

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dtr Innenfläche der Hülle sollt· ein Pein-Oberfläohen-iinish hergestellt oder vorgesehen werden, und eine etwaige (Strahlung*-») Yerseuohung /contamination/ sollte sorgfältig beseitigt werde», bevor die Brennstoffsegmente eingeführt werden. Wenn auoh dl« geaehlitste Fora der BrennstoffSegmente niob dahingehend auswirkt, dass die TWlIe τοπ überbeanspruchungseffekten, die durch die Brennstoffausdehnung während des Betriebs auftreten, befreit wird, so ist die Hülle doch so aufgebaut, dass sie hohen Beanspruchungen standzuhalten vermag; ihre Kugfestigkeit und Krieehetttrke /tensile strength and ereβρ strength/ sind vorsugswel·· derart, dass sie einem Innendruck von 10.000 lbs. per sq.. inch

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(703 kg/cm) bei einer Temperatur von 600 C standhalten kann« Diese Forderung bedingt eine Httllenwanddicke oder -schichtetärk· von mindestens einem Zehntel des Aussendurohmessers. Somit ist für Brennsteffstäbe mit einem Aussendurchmeseer von zwischen 0,1 und 0,4 Zoll (0,25 und 1 om) der entsprechende untere Orenabereich der WandstKrke 0,01 bis 0,04 Soll (0,025 bis 0,1 om). Bin geeignetes Metall für die Hülle let eines der Legierungen dtr "NimoniC-dattung. TPenn der Brennstoff Uranmetall ist und Ale Möglichkeit von Temperaturen oberhalb 700⁰G /temperatures in excess of 700⁰C/ an der Zwieohenflftohe «wischen HUlIe und Brennelement einkalkuliert werden muss, so wird ein· RUlIe₉ die unter Verwendung einer "Hlmoniο"-Legierung hergestellt ist, in Verbund form hergestellt, derart, dass eine Schicht aus feuer»·«» ständigem Metall in Verbindung mit dem Brennstoff gebildet eder gehalten wird.

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Ale weiterer Vorteil der geeohlitsten Fora 4·γ Brennntoffeegaente let aufzuführen, dass die Temperatur dee Brennetoffsentruae niedriger let, ale wenn der Abechnitt feet b>w· ungeeohlltzt wäre. Diee »acht die Verwendung dee Brenneto rfβ in höheren Ittrmeberelchen /at higher heat ratings/ möglich.

Patentansprüche BAD ORIGINAL

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Claims (5)

1. PATENTANWALT

   DIPL-ING. ERICH SCHUBERT

   Postscheckkonten: Köln 104931, Essen 203<2

   Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, Siegen i. Westf., Bankkonten: Or°ni»nstra8e U, Postfach 325 _{Deutjche Bank A(}_. ^

   62 14-2 Ke/Sch · 1^','"¹USX¹C¹I£62^{sen (Rhld}°

   Patentansprüche

   /l.) Jretallumhülltes Brennelement fUr Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daep eine durchgehende Pinge Kernbrennstoff in eeinem AusRenumfang und in unmittelbarer Berührung über denselben mit der TJnifriillunß bin zum Mittelpunkt de« nrennstoffabfichnitts an allen Punkten der LHnge geschlitzt ißt, wobei der dadurch entPtehende Leerraum innerhalb der Hülle mit einem komprimierbaren Stoff oder ,!edium gefüllt iet,
2. 2.) Metallisch umhülltes Brennelement für einen Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet, daas der Brennstoffgehalt in der Umhüllung aus mindestens einer durchgehenden Länge von Kernbrennstoff von. rohrförmigen! Querschnitt, der durchgehend von einem zum anderen Ende geschlitzt ist und sich in unmittelbarer Berührung über seinen Aueeenumfang mit der Umhüllung befindet, wobei der Leerraum innerhalb der Hülle mit einem komprimierbaren Medium gefüllt ist.
3. 3.) Metallisch umhülltes Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierbare Medium ein gasförmiges edium ist, dae gegenüber dem Brennstoff inert ist.
4. 4.) Letallinch umhülltes Brennelement nach Anspruch 1, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz Gerade ist.

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5. 5.) Metallieon umhüllt·· Brennelement nach Anspruch 1 bie 4» dmduroh gek«nns«lohn*t, dass die Umhüllung «ylindrisch und aus •ines Metall «it hoher Zugfestigkeit und hoher Krisenfestigkeit let, wobei die Wanddioke der Umhüllung mindestens ein Zehntel de· Ausnendurohmeeeers betrtgt.

   6») Metalliaeh umhUlltes Brennelement nach Anspruch 1 bie 5» daiuroh gekenne«lohnet, dase die Umhüllung τοπ Verbundform iet, derart, dann die Oberfläche, die rom Brennstoff berührt wird, eine Metallschicht über einem andersartigen Metall 1st.

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