DK143778B - Braendselselementer til atomreaktor - Google Patents

Description

143776 i

Den foreliggende opfindelse angår atomreaktor-brændselselementer af den art, der i metalkapperør indeholder plutonium eller uran 233 som fissionsstof i form af sfæriske partikler, som er omgivet af et eller flere overtræksbeskyttelseslag af 5 plutonium- eller uran 233-frit materiale.

I atomreaktorer, der anvender brændsel i metalkapperør, anvendes brændselet oftest i form af såkaldte "pellets", d.v.s. sintrede, cylindriske formlegemer. Deres fremstilling er kompliceret og meget omstaaidelig, når der i stedet for det sæd-10 vanlige fissionsstof uran 235 helt eller delvis anvendes fissionsstoffer, der er opstået i reaktoren ved konversion, såsom uran 233 eller plutonium-isotoper. Pi grund af den stærke alfastråling fra disse fissionsstoffer og den i sammenligning med uran 235 ulige højere toksicitet hos plutonium-15 isotoper bliver ekstreme beskyttelsesforanstaltninger nødvendige. Særlig stort opbud nødvendiggør kravet om, at maksimalindholdet af plutonium pr. kubikmeter indåndingsluft skal holdes under 10~^ g. Det er derfor allerede foreslået i stedet for cylindriske sintrede legemer at anvende små kugle-20 formige brændselspartikler (kernels), hvis fremstilling er betydeligt mindre omstændelig med hensyn til beskyttelses-f oranst altninger.

Selvom man anvender sådanne kugleformige brændselspartikler, er der dog stadig et meget væsentligt beskyttelsesproblem 25 ved transport af disse plutonium- eller uran 233-holdige brændselspartikler samt ved deres påfyldning i metalkapperø-rene. Ved begge operationer kan en gnidende relativbevægelse af partiklerne i forhold til hinanden ikke undgås, og dette fører nødvendigvis til et vist slid, hvorved fås et fin-30 kornet pulver, der indeholder plutonium eller uran 233 i samme forhold som i det massive brændsel. Dette slid betyder en potentiel fare for forurening af indåndingsluften, hvad der på sin side kræver omstaaidelige beskyttelsesforanstaltninger.

Det er fra f.eks. tysk offentliggørelsesskrift nr. 1.639-291 143778 2 kendt at forsyne brændselspartikler med et metalovertræk for at undgå direkte berøring mellem partiklerne og eventuelt i brændselselementets indre indtræugt vand. Tykkelsen af overtrækket er mellem 1 og 10 μ, og det tåler derfor næppe 5 et egentligt slid.

formålet med opfindelsen er ved et brændselselement, der er af den i krav l's indledning angivne art, at formindske det farlige afslid, der fås på grund af den indbyrdes gnidning af brændselspartiklerne ved håndteringen af brændselet, og 10 reducere faren for forurening af omgivelserne, uden at brændselselementets effektivitet forringes.

Dette formål er opfyldt af brændselselementet ifølge opfindelsen, der er ejendommeligt ved, at overtræksbeskyttelseslaget eller i det mindste et af overtræksbeskyttelsesla-15 gene for de sfæriske partikler består af oxider, carbider eller nitrider af formeringsstoffeme uran 238 og/eller thorium 232.

Ved hjælp af nævnte overtræk opnås ikke alene en sikkerhed mod afslid af det farlige plutonium eller uran 233, men der 20 kan også fås brændselselementer med forøget formeringsfaktor. Ifølge opfindelsen opnås således en ringe mekanisk af-slidning og en god isolering af de egentlige fissionsstoffer samt en h3j tilpasning af de fysiske egenskaber af fyldmaterialet til de tilgrænsende lag.

25 Det anvendte fissionsstof plutonium eller uran 233 findes således i kernen af sfæriske brændselspartikler, og denne kerne er omgivet af et mekanisk stabilt og slidfast lag, der ikke indeholder nævnte fissionsstoffer. På denne måde er det ved transport og påfyldning afslidte materiale frit for plu-30 tonium eller uran 233 og dermed langt mindre toksisk, end det er tilfældes ved de tidligere anvendte brændselspartikler.

Det lag,der omhyller den plutonium- eller uran 233-holdige 143778 3 kerne, kan påføres ved kemisk fældning af kendt art eller også påføres mekanisk i roterende beholdere, der indeholder omhylningsmaterialet i pulverform. I begge tilfælde kan om-hylningsmaterialet komprimeres og stabiliseres ved en på-5 følgende varmebehandling. Det plutonium- eller uran 233-hol-dige kernemateriale kan fremstilles på forskellig mide og enten komprimeres sammen med omhylningsmaterialet ved den beskrevne varmebehandling, hvorved der kan gøres brug af forskellige sintringsforhold, eller også komprimeres termisk 10 mere eller mindre før omhylningen med fissionsstof-frit materiale for dermed at afstemme volumenændringen hos omhyl-nings- og kernematerialet i forhold til hinanden ved den afsluttende varmebehandling.

Som omhylningsmateriale er ifølge opfindelsen anvendt sådanne 15 materialer,der kan yde bidrag til brændselsstavenes funktionelle opgaver. Som eventuelt overtræksbeskyttelseslag kan anvendes lag af materialer, der ikke indeholder formeringsstoffer, men som giver fordele på grund af deres gode varmeled-ningsevne. Materialer af denne art er berylliumoxid, endvi-20 dere carbider som f.eks. zirconcarbid. De formeringsstof-frie lag kan anvendes som ekstra omhylning, eventuelt i blanding. Fortrinsvis påføres et berylliumoxidlag på et første, forme-ringsstof-holdigt lag.

I alle tilfældene kan der ved tilsætning af beslægtede mate-25 rialer opnås en tilpasning af de fysiske egenskaber til de lag, der grænser op til omhylningeme.

De med overtrækbeskyttelseslag forsynede sfæriske partikler indbringes som sådanne i metalkapperør efter sintringen. De kan dog også usintret formes til cylindriske legemer ved pres-30 ning, hvorpå disse sintres. Disse pellets kan indbringes i kapperørene efter de almindelige metoder. På denne måde bliver beskyttelsesforanstaltningerne mod alfa-stråling og plutoniumtoksicitet mindre omstændelige i forhold til den hidtidige praksis, da disse pellets' overflade har et langt 35