DE2312737A1 - Kernbrennstoff fuer gasgekuehlte reaktoren - Google Patents

Description

U.S. Atomic Energy Commission, Washington, D.C, U.S.A.

Kernbrennstoff für gasgekühlte Reaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernbrennstoff bzw. ein Kernbrennstoffteilchen und auf eine neue Materialzusammensetzung eines Kernreaktorbrennstoffes. Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffausfalls in einem Kernreaktor .

In der Vergangenheit wiesen die Brennstoffe für Kernreaktoren, insbesondere für mit hoher Temperatur arbeitende gasgekühlte Reaktoren einen Schnitt der in Fig. 1 gezeigten Art auf und bestanden aus spaltbaren Uran oder Plutonium in der Form eines Oxyds oder Carbids und besaßen einen annähernd sphärischen Kern 1. Der Kern kann auch aus einer festen Lösung wie beispielsweise (U, Pu) C₂ oder (U, Pu)O₂

bestehen. Dieser Kern weist manchmal zusätzlich einen Brutstoff, wie

232 238

beispielsweise Th oder U auf, der sich in der gleichen chemischen Form wie das Spaltmaterial befindet. Der Brennstoffkern ist auch mit mehreren Lagen aus Schutzüberzügen versehen, um die Spaltprodukte zu umschließen und um den Brennstoffkern zu schützen. Der Kern bildet zusammen mit den Oberzügen ein Kernstoffteilchen. Normalerweise sind folgende überzüge vorgesehen: Eine Abdeckung aus porösem Kohlenstoff 2; eine Abdichtschicht aus dichtem pyrolytischem Graphit 3; eine Schicht aus Siliciumcarbid 4; eine Endschicht aus dichtem pyrolytischem Graphits. Die Innen- oder Pufferlage aus porösem Graphit 2 mit ungefähr 10 - 70% Porosität absorbiert jede Dehnung oder Schwellung des Kernes selbst und minimiert Schäden für die anderen Lagen infolge des Spaltbruchteil-

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rückflusses vom Kern. Die benachbarte dichte Graphitlage 3 ist aufgebracht, um den Kern und die Lage 2 vor Angriffen durch schädliche Gase, wie beispielsweise Chlor, zu schützen, die bei der Aufbringung der Siliciumcarbidlage 4 benutzt werden. Die Siliciumcarbidlage 4 gibt dem Brennstoffteilchen insgesamt seine räumliche Stabilität und schafft eine Umschließung für die metallischen Spaltbruchteile.Diese Lage kann bei Versuchsbrennstoffen weggelassen werden, wird aber bei allen gegenwärtig üblichen Teilchen für Kernreaktoranwendungen in der Praxis benutzt. Die aus dichtem pyrolytischem Graphit bestehende Endlage 5 gibt dem Gesamtteilchen seine räumliche Stabilität. Die Lagen 3, 4 und 5 dienen als Druckgefäß zum Einschließen des Spaltgases. Das Brennstoffteilchen hat normalerweise eine annähernd sphärische oder spheroide Gestalt mit einem Durchmesser von ungefähr 400 - 1200 Mikron. Die Lage aus porösem Kohlenstoff 2 hat eine Stärke von ungefähr 25 - 50 Mikron. Der Kern 1 hat einen Durchmesser von ungefähr 300 - 1000 Mikron. Die Abdichtlage 3 ist ungefähr 10 Mikron stark und die Lagen aus dichtem Graphit 5 und Siliciumcarbid 4 haben normaler weise eine Stärke zwischen ungefähr 50 und 150 Mikron, was von der speziellen Teilchenform abhängt.

In einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor sind die Brennstoffteilchen miteinander in einer Graphitmatrix in der Form von Brennstoffstäben verbunden. Die Brennstoff- stäbe sind normalerweise Zylinder mit einer Länge von einem halben Zoll bis zu 6 Zoll und einem Durchmesser von ungefähr einem halben Zoll. Die Brennstoffstäbe werden in öffnungen in einem hexagonalen Graphitklotz zur Bildung eines Brenn stoffelementes eingebracht. Zusätzliche öffnungen im Graphitklotz dienen als Durchlässe für ein Gaskühlmittel, und auch als Mittel zur Einführung von Steuerstäben in das Brennstoffelement.

Bei Verwendung der obenbeschriebenen Reaktorkonstruktion wurde festgestellt, daß die Oxydbrennstoffe unter schwieri gen Arbeitsbedingungen ausfallen. Es wurde festgestellt, daß

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die Ausfallrate mit steigender Temperatur und mit einem Anstieg des verbrannten Teiles (berechnet als Spaltungen pro Anfangsmetallatom = % der Spaltungen des Anfangsmaterials) größer wird. Die physikalische Ursache für diesen Brennstoffausfall besteht in einem Dünnerwerden der überzüge auf der einen Seite des Kerns. Manchmal ist das Dünnerwerden der Überzüge auf der einen Seite des Kerns von einem Dickerwerden der überzüge auf der entgegengesetzten Seite des Kerns begleitet, was eine Wanderung des Kerns zur dünnen Seite hin bedeutet. Es wurde festgestellt, daß der sich schließlich ergebende Ausfall des Teilchens durch eine Kombination folgender Tatsachen bewirkt wird: örtliches Dünnerwerden der überzüge; Brennstoffwanderung; Spaltgasdruckaufbau im Brennstoffteilchen. Bei einigen Brennstoffausfallfällen wandert der Kern vollständig durch die überzüge und in anderenFällen schwächt ein Dünnerwerden der überzüge das Druckgefäß und ermöglicht dem Gasdruck das Brennstoffteilchen zur Explosion zu bringen, In jedem Falle ist die Hauptursache für den Brennstoffausfall der Gesamtvorgang, der ein Dünnerwerden der überzüge und die Brennstoffwanderung einschließt und als Amöbeneffekt bezeichnet wird. Das Gesamtresultat des Brennstoffausfalls besteht in einer Freigabe der Spaltprodukte in das Gaskühlmittel hinein, die Ausbildung von heißen Stellen im Brennstoffelement und die Zerstörung benachbarter Teilchen durch den aufgelösten Kern.

Die Erfindung bezweckt ein Verfahren anzugeben, um den obenbeschriebenen Brennstoffausfall zu verhindern. Ferner sieht die Erfindung ein neues Brennstoffteilchen vor, das nicht infolge eines Dünnerwerdens der überzüge und infolge der Brennstoffwanderung ausfällt.

Diese Ziele und auch weitere Ziele werden gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß man ein Brennstoffteilchen vorsieht, welches einen Kern besitzt, der eine Mischung aus einem spaltbaren Oxyd und einem Metallcarbid ist, und zwar in solchen Proportionen, daß ein thermodynamisches Gleich-

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gewicht hergestellt wird, welches den gesamten Kohlenstoffdioxyd- und Kohlenstoffmonoxyd-Parzialdruck auf einen Wert festlegt, der kleiner ist als derjenige, der erforderlich ist, um ein merkliches Dünnerwerden der überzüge und eine Brennstoffwanderung hervorzurufen, während man gleichzeitig diese Drücke auf einem Wert hält, der kleiner ist als derjenige, der zum Bruch des Druckgefäßes führt.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt: Fig. 1 einen Schnitt eines Brennstoffteilchens, Fig. 2 eine logarithmische Darstellung des gesamten Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdruckes als Funktion des Reziprokwertes der Temperatur, wie man dies gemäß der Erfindung erreicht. Fig. 3 ist ein Uran, Kohlenstoff, Sauerstoff-Phasendiagramm mit Proportionen in Molprozent. Fig. 4 die Temperaturabhängigkeit einer Ratenkonstanten, die im Beispiel II benutzt wird; Fig. 5 veranschaulicht die durch Anwendung der Erfindung erreichte überragende Brennstofflebensdauer.

Gemäß der Erfindung wurde erkannt, daß das Dünnerwerden der überzüge proportional zu den totalen Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdrücken innerhalb des Brennstoffteilchens zur Temperaturdifferenz über das Teilchen hinweg und zur prozentualen Verbrennung (dem bereits verbrannten Teil) ist. Die Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Gase werden durch eine Reaktion des vom Brennstoff oxyd infolge der Kernverbrennung freigesetzten Sauerstoffes mit den Kohlenstoffüberzügen erzeugt. Es ist bekannt, daß der gesamte Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Druck innerhalb eines Brennstoffteilchens Werte bis hinauf zu ungefähr 600 Atmosphären bei einer Temperatur von 2250° K (1977°C) erreicht. Während das ursprüngliche Brennstoffteilchen derartigen Drücken standhält, bewirkt das Dünnerwerden der überzüge eine Schwächung der Druckgefäße und somit einen Ausfall.

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Die Temperaturdifferenz über das Brennstoffteilchen hinweg ist ein weiterer Faktor, der die Gefahr des Dünnerwerdens der überzüge, der Brennstoffwanderung und das schließliche Ausfallen des Teilchens erhöht. Dies wird durch die Temperaturdifferenz bewirkt, die eine Differenz im Sauerstoffpotential von der einen Seite des Kerns zur anderen erzeugt. Diese Differenz im Sauerstoffpotential bewirkt, daß das CO 2 zu einer Kohlenstoffpufferlage an der heißen Seite reduziert wird, während ander kalten Seite die umgekehrte Reaktion auftritt. Die Reaktion an der heißen Seite lautet:

CO₂ +C-* 2CO. an der kalten Seite lautet die Reaktion:

+ C.

Der Nettoeffekt dieser Reaktionen besteht darin, daß Kohlenstoff von der heißen Seite entfernt und an der kalten Seite abgeschieden wird. Wenn die Abscheidung an der kalten Seite eine Verstärkung des Überzuges und nicht eine Verdichtung der porösen Pufferlage zur Folge hat, wird der Eindruck erweckt, daß der Brennstoffkern zur heißen Seite hin wandert. Dieses Phänomen ist als Brennstoffwanderung bekannt.

Aus dem obigen ergibt sich, daß es erforderlich ist, daß man den Sauerstoff vom Brennetoffoxyd freisetzenden Brennstoffauf brauch mit einem Temperaturgradienten koppelt, um Kohlenstofftransport zu bewirken. Diese beiden Bedingungen müssen als notwendigerweise in einem mit hoher Temperatur arbeitenden gasgekühlten Reaktor erfüllt sein.

Ferner wurde gemäß der Erfindung erkannt, daß dann, wenn der gesamte Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdruck unterhalb 10⁽⁶*⁸"^13f3OG/T°^K)Atmosphären bei Temperaturen oberhalb 1350° K gehalten wird, der Kohlenstoff transport und die Überzugverminderung minimiert wird, und zwar in einem solchen Ausmaß, daß die Überzugverminderung kein signifikanter Grund für den Brennstoffausfall ist.

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Ferner wurde erkannt, daß der gesamte Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdruck innerhalb der obenangegebenen Temperatur- und Druckgrenzen gehalten werden kann, und zwar durch Herstellung eines thermodynamisehen Gleichgewichtes zwischen Kohlenstoff, einem Metalloxyd und einem Metallcarbid innerhalb eines Brennstoffteilchens. Typische Gleichgewichtsreaktionen sind die folgenden:

MO₂ + 3C ;. - MC + 2C0 (A)

MO₂ + 4C ^tMC₂ + 2C0 (B)

CO₂ + C ^Z 2CO (C) ,

wobei die Gleichgewichtskonstante für jede der Reaktionen ist:

a P²
k_A - MC CO

a³C

^kB - ^a*

k = P^2
KC CO

^ac co_

dabei ist:

M ein Metallelement,

k._f k_ und k_, Gleichgewichtskonstanten für die Reaktionen AB C

A, B und C,

a die Aktivität der als Index angegebenen Verbindung, und P„_ die Teildrücke von Kohlenstoffmonoxyd bzw.

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Kohlenstof fdioxyö

Da die Aktivität einer kondensierten Phase im wesentlichen Eins ist, gilt

k. und k_ = P² .
A B CO und

k = P²
C CO

^pco₂

Man erkennt, daß durch das Vorsehen eines geeigneten Metalls (M) zur Erzeugung der obigen Gleichgewichte ein gewünschter Gesamtdruck von Kohlenstoffmonoxyd und Kohlenstoffdioxyd erreicht werden kann. Für die Erfordernisse dieser Erfindung muß das Metall (M) in den Reaktionen A und B ein Carbid and ein Oxyd aufweisen, die Schmelzpunkte oberhalb der Arbeitstemperatur des Brennstoffteilchens aufweisen, die einen gesamten Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdruck von weniger als 10 ⁽⁶'⁸ ~¹³'^3OO/T°^K)Atmosphären bei Temperaturen oberhalb 1350Or entsprechend den Reaktionen A und B erzeugen und nicht als Neutronengift wirken. Metalle, die den obigen Kriterien genügen, sind beispielsweise Uran, Thorium und Plutonium. Die optimale vorgeschlagene Betriebstemperatur für einen gasgekühlten Reaktor ist ungefähr 2000°C. Die obigen Metalloxyde und Carbide genügen dieser Betriebstemperaturanforderung.

Fig. 2 stellt den gesamten Partialdruck des Kohlenstoffmonoxyds und Kohlenstoffdioxyds dar, der als Funktion der reziproken Temperatur vorhanden sein muß, damit das Brennstoff teilchen eine vernünftige Betriebslebensdauer besitzt. Die Linie D in Fig. 2 stellt den maximal zulässigen gesamten Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Druck innerhalb der Betriebstemperaturen eines gasgekühlten Reaktors dar, der vorhanden sein darf, damit der Brennstoff eine zu erwartende Lebenszeit von 1000 bis 4000 Tage besitzt. Dieser breite Bereich von Lebenszeiten ist deshalb angegeben, weil die Lebensdauer eines Brennstoffes auch vom Arbeitsniveau (Spaltungen pro Anfangsmetallatom) abhängt. Die Linie D wird durch folgende Gleichung dargestellt:

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P₊P - in⁽⁶·⁸ -13,3OO/T°K), CO CO₂ ^IU

wobei P in Atmosphären angegeben ist.

Damit die erfindungsgemäßen Bedingungen herrschen, muß der durch das Metalloxyd, das Metallcarbid und das Kohlenstoffsystem erzeugte Gleichgewichtspartialdruck des Kohlenstoffmonoxyds und Kohlenstoffdioxyds einen gesamten Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdruck aufweisen, der unter der Linie D in Fig. 2 liegt. Die Linie E stellt den gesamten Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdruck dar, der durch das Uranoxyd, Urancarbid und Kohlenstoffsystem und_durch das Plutoniumoxyd, Plutoniumcarbid und das Kohlenstoffsystem erzeugt wird. Die Linie E wird durch die folgende Gleichung beschrieben:

/p . ρ χ _ _1n(9.35-20,000/T°K)

Die Linie F stellt das Gleichgewicht dar/ welches durch das Thoriumoxyd, Thoriumcarbid und Kohlenstoffsystem erzeugt wird und durch die folgende Gleichung beschrieben werden kann:

^PC0 ^{+ P}C0 = 10 Π0. 178-23,400/T°K)

Die beiden Linien E und F liegen beträchtlich unterhalb der Linie D innerhalb des interessierenden Temperaturbereiches und machen die obigen Systeme ideal für die Verhinderung des Dünnerwerdens der Überzüge und der Brennstoffwanderung geeignet. Es bildet sich natürlich eine bestimmte Menge fester Lösung in jeder Phase bei Betriebsbedingungen, so daß die genaue chemische Formel für jeden Fall von den obenangegebenen idealen chemischen Formeln abweicht. Diese Abweichung beeinflußt die Gleichgewichtspartialdrücke von Kohlenstoffmonoxyd und Kohlenstoffdioxyd nicht wesentlich.

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Es sei bemerkt, daß der für die Gleichgewichtsreaktion erforderliche Kohlenstoff durch die poröse Kohlenstoffpufferlage und auch durch die dichten pyrplytischen Graphitlagen geliefert wird. Im Falle der obenangegebenen Metalle, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei den erfiiidungsgemäeen Brennstoffkernen benutzt werden können, können Brutmaterialien wie beispielsweise Uran-238 und Thorium-232 mit dem spaltbaren Oxydmaterial des Kerns gemischt werden, um dem zweifachen Zweck- des Ausbrütens eines neuen Brennstoffes und der Ausbildung eines thermodynamisehen Gleichgewichts zu dienen. Bei der Verwendung des Thorium-232-Isotops als Brutmaterial wird dem spaltbaren Oxydteil des Kerns eine Mischung aus Tjoriumoxyd und Thoriumcarbid hinzugefügt. Im Falle von Uran-238 wird dem spaltbaren Oxyd des Brennstoffkerns eine Mischung aus Uranoxyd und Carbid hinzugefügt, um das thermodynamische Gleichgewicht einzustellen.

Wenn weder Uranoxyd noch Plutoniumoxyd als spaltbares Material des Kerns verwendet wird, dann wird dem Kern nur das entsprechende Carbid hinzugefügt, um das gewünschte Gleichgewicht zu erzeugen.

Es wurde festgestellt, daß ungefähr 1 Gewichtsprozent Carbid als eine zweite Phase zu dem Oxydkern hinzugefügt werden muß, und zwar für jede 10 % angenommener FIMA fissions per initial metal atom; Spaltungen pro Ausgangsmetallatom) für Uranoxyd, jede 5 % FIMA von Plutoniumoxyd und jede 16 % FIMA der spaltbaren Isotope, die sich aus der Transmutation von Thoriumoxyd ergeben. Dies wird durch die Tatsache notwendig gemacht, daß der freigesetzte Sauerstoff zusätzliches CO bildet, welches die Reaktionen A und B zurück nach links treibt und somit sowohl Carbid als auch CO konsumiert, auf welche Weise der CO-Druck auf einen gegebenen Wert geregelt wird. In den Systemen, wo zwei oder mehr Brennstoffoxyde zum Brennstoffkern hinzugefügt werden, ist eine Carbidmenge erforderlich, die annähernd gleich der Summe der proportionalen Mengen des für jedes Brennstoff-

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oxyd erforderlichen Carbids ist. Im allgemeinen ist ein Gesamtcarbid-Gehalt von 0,1 - 20 Gewichtsprozent geeignet, die Brennstoffwanderung im wesentlichen zu verhindern .

Die obere Grenze von 20 Gewichtsprozent Carbidgehalt wird durch die Tatsache hervorgerufen, daß die Bildung einer kontinuierlichen Carbidphase durch den Kern hindurch vermieden werden muß. Wenn eine kontinuierliche Carbidphase gebildet wird, tritt ein anderer Brennstoffausfallmechanismus ein und verhindert den Zweck dieser Erfindung. Der durch die Bildung einer kontinuierlichen Carbidphase hervorgerufene Ausfallmechanismus wird schneller als der ■ obenbeschriebene Mechanismus beim Dünnerwerden der Überzüge .

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung weist einen Brennstoffkern aus UO- auf, wobei UC, UC^ oder Ü(C,O) in eine Menge von 0,1 bis 20 Gewichtsprozent hinzugefügt ist. Ü (C,0) ist eine feste Lösung von UC mit bis zu 15 Molprozent Sauerstoff in Lösung. Genauer gesagt, wird die Zusammensetzung dieser Erfindung durch die Fläche dargestellt, die in Fig. 3 durch LMN begrenzt ist. Diese Fläche umfaßt die obenangegebenen Carbidgewichtsprozentgrenzen. Bei Berührung mit Kohlenstoff erzeugen die obigen Mischungen die folgenden typischen Gleichgewichtsreaktionen:

UO₂ + 4C ^Z UC₂ + 2CO
UO₂ +3C^ UC₂ + CO₂

+ 3C ^- UC +' 2CO

Diese Reaktionen legen die Gesamt-Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdrücke auf den durch Linie E in Fig. 2 gezeigten Gleichgewichtswerten fest. Es spielt keine Rolle, welches Uranisotop dem Kern hinzugefügt wird, um das obige Gleichgewicht zu erzeugen, da die Thermodynamik der Gleichgewichtsprozesse unabhängig von dem Isotopenaufbau der Bestandteile ist. Es kann entweder brutfähiges

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238 2 ^ζ

U oder spaltbares U verwendet werden, um die Gleichgewichtspartialdrücke des Kohlenstoffmonoxyds und Kohlenstoff dioxyds zu erzeugen.

Das Verfahren gemäß deutschem Patent

(entsprechend der US Patent-Anmeldung S.N. 48 579 vom 25. Mai .1970) auf den Namen der Anmelderin ist gut geeignet, die erfindungsgemäßen Brennstoffkerne herzustellen. Das Brennstoffteilchen kann sodann dadurch vervollständigt werden, daß man auf den Brennstoffkern pyrolytisches Graphit und Siliciumcarbid abscheidet. Es kann auch das übliche "Sol-Gel"-Verfahren zur Erzeugung der Brennstoffkerne abgewandelt werden, indem beispielsweise Kohlenstoff in das Sol vor dem Kugelformverfahren eingebracht wird, worauf dann die Kohlenstoffabscheidung zur Vervollständigung des Brennstoffteilchens erfolgt.

Es wurde auch festgestellt, daß die Teilchengröße und die Verteilung der Metallcarbide im Brennstoffkern wenig Einfluß auf die Gleichgewichtsausbildung haben. Die Brennstoff kerne müssen eine Porösität von 1 - 30% aufweisen, so daß das Gleichgewicht trotz der schlechten Verteilung leicht eintritt.

Die folgenden speziellen Beispiele sollen die verschiedenen Aspekte der Erfindung veranschaulichen und die vergleichsweise Überlegenheit des erfindungsgemäßen Verfahrens und Erzeugnisses klarmachen.

Beispiel I

Die Herstellung von Mikrosphären aus Uranoxyd, Uranoxyd-Plutoniumoxyd oder Uranoxyd-Thoriumoxyd wird zusammen mit der Herstellung von Carbiden dieser Materialien durch das im US Patent 3 290 122 beschriebene Verfahren erreicht, wobei nur hinreichend viel Kohlenstoff vorhanden ist, um die gewünschte stöchometrische Endzusammensetzung des durch das Oxyd verteilten Carbids zu erreichen.

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Das Verfahren gemäß US Patent 3 367 881 kann auch zusammen mit dem Schritt des Vermischens feinverteilten Kohlenstoffs mit der Sol vor der Bildung der Mikrosphären verwendet werden. Dieses Verfahren schließt folgende Schritte ein:

1. Herstellung des Sol-Gel

2. Hinzufügung von Kohlenstoff ·

3. Ausbildung der Sol-Gel-Mikrosphären

4. Wärmebehandlung zur Entfernung organischer Stoffe und zur Entfernung von Wasser,

5. Kalzinierung in einer inerten Atmosphäre bei 1600°C - 1900°C zur Erzeugung von Oxyden mit zerstreutem Carbid mittels der Reaktionen:

+ 2.5C -^UC_{0 75}O_{Q 25} + 1.75. CO

und/oder

UO₂ + 3C —» UC + 2CO

und/oder

UO₀ + 3.86C -^UC. _Qc + 2CO

Normalerweise ist genügend Kohlenstoff praktisch vorhanden, um den gewünschten Endgewichtsprozentsatz von Carbid im Uranoxyd zu erreichen; sollte jedoch ein Betrag von freiem Restkohlenstoff im Kern verbleiben, so ist dieses Ergebnis nicht unzweckmäßig, solange nur hinreichend viel Kohlenstoff zur Bildung des gewünschten Carbidgewichtsprozentsatzes vorhanden ist. Sodann werden die zusammengesetzten Mikrosphären mit den notwendigen überzügen aus Kohlenstoff und Siliciumcarbid versehen. Der anfängliche eine niedrige Dichte aufweisende hochporöse Kohlenstoffüberzug kann beispielsweise durch das im US Patent 3 472 677 beschriebene Verfahren aufgebracht werden. Sodann kann der hochdichte überzug durch Verwendung des Verfahrens gemäß US Patent 3 471 314 aufgebracht werden. Wenn gewünscht, kann eine SiC-Lage abgeschieden werden und zwar in einer fluidisierten Lage, wo das SiC durch die thermische Zersetzung von bei spielsweise Methyltrichlorsilan erzeugt wird. Die äußere

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Kohlenstofflage wird wiederum durch Verwendung des Verfahrens gemäß US Patent 3 471 314 hergestellt.

Beispiel II

Die Erfindung hat erkannt, daß der Brennstoffausfall durch die folgende Gleichung beschrieben werden kann:

Gkt ΔT (Prn ■	► P )2	^1 ! (NRT/aÖ)F
	CO2 In	ρ +ρ + ι Fco + CO2 + χ
F(NRT/aP)

Dabei ist:

a) = Verhältnis des leeren Raums im Puffer zum Volumen des Kerns (normalerweise 0,25).

F = Prozent FIMA (Spaltungen pro Anfangs-Schwermetallatom)

G = Geometrischer Faktor; G £1.0, normalerweise ungefähr 0.05

M = Dicke des entfernten Kohlenstoffs in Mikrometer (normalerweise gleich der Stärke der Schicht 5 gesetzt)

N = Molzahl des Spaltgases pro Mol des Brennstoffs pro Prozent FIMA, normalerweise ungefähr 0,002/%FIMA

R = Gaskonstante 82,06 atm cm /Mol ⁰K

k = Ratenkonstante (Geschwindigkeitskonstante) für den Kohlenstofftransport bei der Interdiffusion im CO/CO₂ System gemäß Fig. 4 in pjn von Kohlenstoff/h-°C-atm von CO + CO₂

T = Mittlere Temperatur, ⁰K

t = Zeit in Stunden bei der Temperatur Δ.Τ = Temperaturdifferenz im Brennstoffteilchen in ⁰C θ = Molvolumen des Brennstoffs, ungefähr 24,6 cm /Mol.

Diese Gleichung wurde verwendet, um die Zeit für einen Oberzugsausfall unter den Bedingungen der vorliegenden Erfindung bei dem CO-Druck für die typische Reaktion zu berechnen.

UO₂ + 3C -^UC + 2CO

Bei verschiedenen Temperaturen und bei 10 und 50 Prozent FIMA. Ein Wert von ΔΤ = 10Qo wurde in diesen Berechnungen

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verwendet; typische Werte für die anderen Parameter sind oben angegeben. Für einen Vergleich mit der empirischen Korelation des gemäß dem Stande der Technik üblichen Vorgehens, wurden diese Ergebnisse benutzt, um einen Parameter mit den Einheiten (Watt/Teilchen) χ Zeit bis zum Ausfall χ Δ Τ berechnet. Die beiden letzten der drei Größen im Parameter wurden wie oben beschrieben bestimmt, und da %FIMA direkt proportional zn Wattstunden/Teilchen ist, können die Watt/Teilchen ohne weiteres berechnet werden. Diese Vergleiche sind in Figur 5 gezeigt. Die Linie I stellt die Werte des Standes der Technik in einer graphischen Darstellung mit koordinaten Einheiten identisch zu Figur 5 dar. Die Linien G und H stellen den erfindungsgemäßen UO-Brennstoffkern mit 50% bzw. 10% FIMA dar. Man erkennt, daß bei Betriebsbedingungen von beispielsweise 1675°C und einer Leistungsabgabe von 0,5 Watt pro Teilchen bei einer 1OO°C Temperaturdifferenz über das Teilchen hinweg gemäß dem Stande der Technik eine zu erwartende Lebensdauer von 40 Tagen auftritt, während das erfindungsgemäße Brennstoffteilchen eine zu erwartende Lebensdauer von 400 000 Tagen bzw. 100 000 Tagen bei 10% bzw. 50% FIMA aufweist. Diese extrem langen vorausgesagten Lebenszeiten beruhen auf den erfindungsgemäß stark verminderten Drücken von CO und CO₂ und deuten lediglich an, daß die Teilchenüberzüge während der gewünschten Lebensdauer des Brennstoffes d.h. zwischen ungefähr 1000 und 4000 Tagen nicht ausfallen.

Beispiel III

Es wurde ein Vergleich der gesamten im erfindungsgemäßen Gleichgewichtssystem herrschenden Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdrücke mit den in den Brennstoffteilchen gemäß dem Stande der Technik herrschenden Drücken ausgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle angegeben.

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Tabelle

	CO + CO..Drücke (atm)	25.7	3.0 χ 10~6	ThO2-ThCThC2 System
T, 0C	Stand der Technik (Uranoxydkerne) UO2-UC-UC-SyStCm Minimum Maximum PuO^-PuC,PuC0 System	100.0	O.OO4	1 χ 10~7
		298.0	0.04 ^	0.0002
1000	0.7	512.0	0.25	0.004
1400	1.4	—	2.0	0.03
16OO	2.2			0.5
18OO	5.9
2000	29.5

Aus der obigen Tabelle ist ohne weiteres zu erkennen, daß durch die Erfindung die gesamten Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdrücke stark verbessert werden. Ferner erkennt man, vergleiche dazu Beispiel II, daß die Menge des entfernten Kohlenstoffs (M) durch die Verminderung der gesamten Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlendioxyd-Partialdrücke stark reduziert wird.

Wie man aus der vorangegangenen Beschreibung erkennt, vergrößert das Verfahren zur Verhinderung des Oxydbrennstoffausfalls durch das erfindungsgemäße Brennstoffteilchen die Zeit und die Qualität von Kernreaktorvorgängen. Man erkennt ferner, daß kleinere Abweichungen vom beschriebenen Verfahren und vom erfindungsgemäßen Brennstoffteilchen möglich sind, ohne den Srfindungsgedanken zu verlassen. Eine solche kleinere Abweichung kann beispielsweise darin bestehen, daß man die erforderlichen Bestandteile für die Gleichgewichtsreaktion in den Schutzüberzügen des Brennstoffkerns und nicht innerhalb des Brennstoffkerns vorsieht.

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Claims (12)

1. PATENTANSP RÜCHE

   4b

   fi·/Sphärisches Kernbrennstoffteilchen mit einem zentralen Kern, der ein Oxyd eines spaltbaren Metalls und benachbart dazu eine Kohlenstoffabdeckung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern 1 auch ein Metallcarbid ist als eine zweite Phase enthält und daß das Carbid ein thermodynamisches Gleichgewicht mit dem Kohlenstoff 2 der Abdeckung und einem Oxyd des Metalls des Metallcarbids herstellt, um den gesamten Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlen-

   *. r_£J· j _n ^- _1Λ u « · -> -_Λ (6.8-13,300/TOK stoffdioxyd-Partialdruck auf weniger als 10 Atmosphären bei Temperaturen oberhalb 135O°K zu halten.
2. 2. Brennstoffteilchen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Oxyd eines spaltbaren Metalls Uranoxyd und das Metallcarbid Urancarbid ist.
3. 3. Brennstoffteilchen nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Uranoxyd und das Urancarbid in solchen Proportionen vorhanden sind, wie dies durch die Fläche LMN in Figur 3 angedeutet ist.
4. 4. Brennstoffteilchen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Urancarbid 0,1 - 20 Gewichtsprozent des Kerns ausmacht.
5. 5. Brennstoffteilchen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Metallcarbid aus der Thoriumcarbid, Urancarbid und Plutoniumcarbid aufweisenden Gruppe ausgewählt ist, während das Oxyd eines spaltbaren Metalls aus der Uranoxyd und Plutoniumoxyd enthaltenden Gruppe gewählt wird.
6. 6. Brennstoffteilchen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zu ungefähr 1 - 30% porös ist, wobei die Kohlenstoffabdeckung zwischen 10 und 70% porös ist und das Teilchen zusätzlich benachbart zum Kohlenstoffüberzug einen dichten pyrolytischen Graphitüberzug besitzt.

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7. 7. Brennstoffteilchen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen Siliciumcarbidüberzug benachbart zu dem pyrolytischen Graphitüberzug und durch einen weiteren dichten pyrolytischen Graphitüberzug benachbart zu dem Siliciumcarbidüberzug.
8. 8. Brennstoffteilchen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zwischen 0,1 und 20 Gewichtsprozent Metallcarbid aufweist.
9. 9. Bei einem Verfahren zum Betrieb eines gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktors mit einem Brennstoffteilchen mit einem spaltbaren Metalloxydkern, der einen Kohlenstoffüberzug aufweist und indem sich Kohlenstoffmonoxyd und Kohlenstoffdioxyd bilden, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Aufrechterhaltung des gesamten Kohlenstoffmonoxyd- und Kohlenstoffdioxyd-Partialdruckes in dem Teilchen auf einem Druck von weniger als _1O ⁶*⁸~¹³'^{3OO/T K)} Atmosphären bei Temperaturen oberhalb 135O°K.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß ein thermodynamisches Gleichgewicht in dem Teilchen zwischen einem Carbid und einem Oxyd eines Metalls und Kohlenstoff aufrechterhalten wird, wobei das Metall ein Oxyd und ein Carbid mit einem Schmelzpunkt oberhalb 2000°C aufweist und nicht als. Neutronengift wirkt.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus der aus Uran, Thorium und Plutonium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Uran ist, und die Zusammensetzung des Kerns im Gebiet LMN der Fig. 3 liegt.

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