DE1260038B - Verfahren und Vorrichtung zum Abfuehren von Spaltgasen aus Kernreaktorbrennelementen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Abfuehren von Spaltgasen aus KernreaktorbrennelementenInfo
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Description
- Verfahren und Vorrichtung zum Abführen von Spaltgasen aus Kernreaktorbrennelementen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abführen von Spaltgasen aus Kemreaktorbrennelementen, die eine Auslaßvorrichtung und in diese eingebaute Drosseleinrichtungen für Spaltgase aufweisen.
- Bei den in der Kerntechnik angewandten Brennelementen, insbesondere bei keramischen Brennelementen, beispielsweise aus Urandioxyd oder Gemischen aus Urandioxyd und Plutoniumoxyd, wird die Lebensdauer der Brennelemente weitgehend durch die Spaltgasproduktion begrenzt. Die während der Kernspaltung erzeugten gasförmigen Spaltprodukte sammeln sich im Innern des Brennelementes an und erzeugen mit der Zeit einen hohen Druck innerhalb desselben. Dieser Druck ist um so höher, je größerdie Temperatur der Brennelemente ist und daher besonders bei keramischen Brennelementen, die für Hochtemperaturreaktoren verwendet werden, von entsprechender Größe. Der Druck wird im Laufe des Betriebes so groß, daß sich die Brenneleme,ntum#hüll"ung, die den Brennstoff umgibt und eine Berührung des Brennstoffs mit dem Kühlmittel und damit ein Austreten von hochradioaktiven Stoffen in den Kühlkreislauf verhindern soll, aufbläht oder aufreißt, wodurch das Brennelement unbrauchbar wird.
- Es ist schon eine Reihe von Möglichkeiten bekannt, die entstehenden Spaltgase zu binden oder abzuleiten. Beispielsweise können die Spaltgase bei geeignet gesinterten keramischen Brennstoffen im Atomgitter aufgenommen werden, diese Methode versagt jedoch bei den angestrebten hohen Abbränden und bei Brennstofftemperaturen über 1500' C. Daher hat man stabförmige Brennelemente mit einer am Stabende angebrachten Absaugeinrichtung versehen.. Eine solche Einrichtung erfordert zusätzlich zum Brennelementsystem ein entsprechendes Absaugsystem, das kompliziert und beim Auswechseln der Brennelemente sehr hinderlich ist.
- Es ist auch schon bekannt, innerhalb des Brennelementes vor der Austrittsöffnung Filter zur chemischen Spaltproduktabsorption anzuordnen, wodurch zwar chemisch aktive Sp#altprodukte, jedoch nicht radioaktive Edelgase, wie z. B. Krypton und Xenon, gebunden werden (USA.-Patentschrift 3 010 889). Aus dieser Literaturstelle ist es auch bekannt, in der Auslaßvorriehtung physikalische Fallen (Gasdiffusionskaskaden) anzuordnen, welche auch den Durchtritt radioaktiver Edelgase verzögern. Die darauf erzielten Verzögerungszeiten liegen jedoch unterhalb der Halbwertszeiten der besonders interessierenden langlebigen Spaltprodukte des Xenons, die in der Größenordnung von mehreren Tagen liegen.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, das es ermöglicht, komplizierte Koppelstellen an Brennelementen und besondere Kreislaufsysteme mit Pumpen, Gebläsen und Abklingeinrichtungen für radioaktive Gase zu vermeiden und trotzdem die Spaltgase aus dem Brennelement abzuführen, so daß damit die Lebensdauer der Brennelemente nicht mehr durch einen sich aufbauenden Sp#altgasdruck begrenzt wird.
- Die obengenannte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren zum Abführen von Spaltgasen aus Kernreaktorbrennelementen, die eine Auslaßvorrichtung und in diese eingebaute Drosseleinrichtungen für Spaltgase aufweisen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Durchlauf der Spaltgase durch diese Vorrichtung auf durchschnittliche Zeiten von mehreren Tagen, vorzugsweise 60 Tagen, verzögert wird. Nach dieser Zeit ist die. Aktivität beispielsweise aller Xenonisotope genügend weit abgeklungen und das noch in Frage kommende Krypton-85 mit einer Halbwertszeit von 10,2 Jahren, das bei der Kernspaltung mit einer Ausbeute von 0,29 % erzeugt wird, kann wegen seines geringen Anteils direkt nach außen abgeführt werden. Die gesamte Radioaktivität der Spaltgase ist daher nach etwa 60 Tagen so weit abgesunken, daß diese an das Kühlmittel des Kernreaktors abgegeben werden können. Das geschieht in der Weise, daß die Auslaßvorrichtung aus einer Kammer besteht, die mit Mitteln zum Drosseln des Gasdurchlaufes versehen ist. Insbesondere werden dazu an einem Ende des Brennelementes mehrere Kammern hintereinander angeordnet, die jede für sich mit Mitteln zum Drosseln des Gasdurchlaufes versehen sind und die entweder direkt oder mittels gemeinsamer gasdurchlässiger Wandteile miteinander verb.undcn sind.
- Die gasdurchlässigen Wandteile bestehen vorzugsweise aus porösem Material, das einen entsprechend hohen Strömungs- bzw. Diffusionswiderstand für die Spaltgase aufweist. Die Reihenanordnung mehrerer Kammern hat den Vorteil, daß sich frisches Spaltgas und in seiner Radioaktivität abgeklungenes Spaltgas nicht miteinander mischen können. Durch in die Kammern eingebaute, den Gasstrom führende Labyrinthsysteme wird eine Mischung des frisch in die Kammern eintretenden mit dem bereits in den Kammern längere Zeit befindlichen Gas verhindert. Um den Austritt von flüchtigen, kondensierbaren Spaltprodukten, wie z. B. Brom, Jod, Rubidium und Caesium, und das Verstopfen der Drosseleinrichtungen durch diese Stoffe zu verhindern, wird innerhalb des Brennelementes vor der Auslaßöffnung ein Adsorptionsfilter angebracht. Außerdem können auch einige der Kammern mit entsprechenden Füllungen versehen wer-den, welche die flüchtigen Spaltprodukte absorbieren oder chemisch binden oder mit Füllungen, welche die Drosselwirkung erhöhen. Ein besonderer Vorteilder Reihenanordnung mehrerer Kammern liegt darin, daß bei Undichtigkeiten der übergänge zwischen einzelnen Kammern durch die übrigen intakten übergänge verhindert wird, daß frisches, also in seiner Radioaktivität nicht abgeklungenes Spaltgas in den Kühlkreislauf des Reaktors gelangt.
- Die gasdurchlässigen Wandteile zwischen den Kammern können als Kanäle ausgeführt sein, die mit einem Pulver, wie z. B. aus Al.O., Mg0, Eisen, Glas, Kupfer, Graphit, gefüllt sind, das verdichtet ist, so daß sie dem Gas einen hohen Strömungswiderstand bieten. Außerdem kann es vorteilhaft sein, das verdichtete Pulver zu sintern, um eine genügende Festigkeit der Füllung des Kanals zu erhalten. Die Verdichtung des Pulvers läßt sich in bekannter Weise etwa dadurch erreichen, daß das mit Pulver gefüllte Rohr durch Rundhämmern, Ziehen oder Walzen im Durchmesser reduziert wird. Im Endstab sollten der Außendurdlunesser dieserrahrförmigenVerbindungskanäle in einem speziellen Beispiel etwa 1 bis 2 mm und der Durchmesser der Pulverfüllung beispielsweise einige zehntel Millimeter betragen. Der erwünschte Strömungswiderstand kann durch Variation der Körnung des Pulvers oder der Länge und des Durchmessers der Pulverfüllung erreicht werden. Weiterhin kann ein drehsymmetrischer Körper mit einer zentralen Bohrung versehen werden, in welche Pulver gefüllt wird und der ganze Körper in einer Presse unter Druck gesetzt und damit #die Pulverfüllung verdichtet wird. Beispielsweise ist es besonders vorteilhaft, einen kegelförmigen Körper zu verwenden, in dem die Bohrung längs der Kegelachse angebracht ist. Dieser Körper wird als Trennboden zwischen den einzelnen Kammem verwendet. Die Kanäle zwischen den Kammern können auch beispielsweise, indem sie mittels Elektronenstrahlen gebohrt wer-den, so fein ausgeführt sein, daß sie bereits einen genügend hohen Strömungswiderstand aufweisen und nicht mit einer Füllung versehen zu werden brauchen.
- Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich bei allen Kühlungsarten, insbesondere bei Flüssigmetallkühlung und bei Gas- oder Dampfkühlung anwenden. Damit jedoch ein Eindringen von Kühlmittel in die Brennelemente verhindert wird, ist es zweckmäßig, die Brennelemente vor dem Einsetzen in den Reaktor mit Schutzgas zu füllen, wobei der Druck des Schutzgases höher als der zu,erwartende Kühlmitteldruck sein soll.
- Auf diese Weise ist es möglich, ein kompliziertes Rohrleitungs- und Abdichtungssystem zur Spaltgasableitung zu vermeiden. Es wird im Gegenteil nur wenig Raum beansprucht, indem nämlich das Brennelement geringfügig durch das Kammersystem verlängert wird und besondere lösbare Abdichtungsvorrichtungen eingespart werden. Außerdem wird die Brennelementfertigung beim Anwenden der neuen Vorrichtung nicht nachteilig beeinflußt, da das Kammersystem vorgefertigt und auf das fertige Brennelement aufgesetzt und wie ein Endstopfen angeschweißt werden kann.
- Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert-.
- Eine Vorrichtung nach der Erfindung zeigt F i g. 1, in der ein metallisches Rohr 1, das mit nuklearem Brenn- oder Brutstoff 2 gefüllt ist, an seinem oberen Ende, über eine siebförmige Metallscheibe 3 und ein poröses Filter 4 zur Absorption flüchtiger Spaltgas-Kammerelementen 5 bestehenden Anordnung verbunden ist. Diese enthalten Rundstege 6, die mit Kanälen 7 hohen Strömungswiderstandes versehen sind. Das letzte Spaltgaskammerelement ist durch einen Verschlußstopfen. 8 mit einem Auslaßkanal 9 mit dem Außenraum verbunden. In den durch die Kammerelemente gebildeten Kammern 10 sammeln sich die, nach außen abströmenden Spaltgase.
- Zwei verschiedene mögliche Ausführungsformen der Kammereleinente zeigen F i g. 2 und 3. In F i g. 2 besteht das Kammereleinent 5 aus einem rohrförmigen Körper mit flachem Boden, in den ein Rundsteg6 eingeschweißt ist, der einen mit verdichtetem und gesintertem Pulver, beispielsweise Aluminiumoxyd oder Magnesiumoxyd gefülten Kanal 7 enthält. In, F i g. 3 besteht das Kammerelement aus einem Rohrstück 11, an welches ein kegelförmiger Körper 12 angeschweißt ist, der einen Kanal 13 aufweist, entsprechend dem in F i g. 2 dargestellten Kanal.
- Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Kammerelemente zeigt F i g. 4. Danach ist in dem Kammerelement 21 zwischen Gaseinlaßkanal 22 und Gasauslaßkanal 23, die mit verdichtetem und gesintertem Pulver gefüllt sind, ein Labyrinthsystem 24 angeordnet, so daß das einströmende Gas sich nicht mit dem aus der Kammer ausströmenden Gas vermischt.
Claims (2)
- Patentansprüche: 1. Verfahren zum Abführen von Spaltgasen aus Kernreaktorbrennelementen, die eine Auslaßvorrichtung und in diese eingebaute Drosseleinrichtungen für Spaltgase aufweisen, d a d u r c h g e -k en n z e i c h n e t, daß der Durchlauf der Spaltgase durch #diese Auslaßvorrichtung auf Zeiten von durchschnittlich mehreren Tagen, vorzugsweise# von mehr als 60 Tagen, verzögert wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltgase in an sich bekannter Weise an den Kühlmittelkreislauf des Reaktors abgeleitet werden. 3. Verfahren nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltgase vor Eintritt in ,die Auslaßvorrichtung in an sich bekannterWeise zur Abtrennung von kondensierbaren Stoffen, wie c> Jod, Brom, Caesium und Rubidium, vorgefiltert werden. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement vor Einsatz in den Kernreaktor mit Schutzgas gefült wird, wobei der Schutzgasdruck über dem im Kühlkreislauf des Reaktors herrschenden Druck liegt. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorangehenden Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine oder mehrere hintereinander angeordnete, mit Mitteln zum Drosseln des Durchlaufs versehene Kammern als Auslaßvorrichtung. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein im Kammerinnern angeordnetes, den durchlaufenden Gasstrom führendes Labyrinthsystem. 7. Vorrichtung nach Anspruch6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammerinnere mindestens teilweise mit porösen Filterstoffen, wie z. B. Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Glas, Eisen, Kupfer und Graphit, ausgefüllt ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterstoffe verdichtet sind. 9. Vorrichtung nach Anspruch7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterstoffe gesintert sind. 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kammerwandteil teilweise gasdurchlässig ist. 11.Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgenden Kammern ein mindestens teilweise gasdurchlässiger Wandteil gemeinsam ist. 12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in Richtung Brennelement-Außenraum an letzter Stelle angeordnete Kammer einen zum Außenraum mindestens teilweise gasdurchlässigen Wandteil aufweist. 13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Auslaßvorrichtung und Brennelement ein die kondensierbaren Stoffe, wie z. B. Jod, Brom, Caesium und Rubidium, ausscheidendes Filter, z. B. aus Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Glas, Eisen, Kupfer und Graphit, angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 3 111476, 3 010 889, 2905611.
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