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Hülle für Brennstoffelemente von Kernreaktoren
Um bei Kernreaktoren eine möglichst günstige Energieausnutzung zu erzielen, ist man genötigt, die von den Brennstoffelementen der Reaktoren erzeugte Wärme bei einer möglichst hohen Temperatur von dem Kühlmittel aufnehmen zu lassen.
Man ist infolgedessen bestrebt, gleichzeitig folgendes zu erreichen :
1) Eine hohe Temperatur im Brennstoff,
2) eine kleine Temperaturdifferenz zwischen dem Brennstoff und dem Kühlmedium.
Die Temperatur im Brennstoff darf jedoch einen bestimmten Wert nicht überschreiten, der von der Art des Brennstoffes abhängt und mit einem guten mechanischen Verhalten der Brennstoffhülle vereinbar sein muss.
Man muss infolgedessen zwecks Erhöhung der Wärmeausnutzung die Temperaturdifferenz zwischen dem Brennstoff und dem Kühlmedium oder zwischen der Brennstoffelementhülle und dem Kühlmedium soweit als möglich herabsetzen.
In erster Annäherung ist der Wärmeaustausch zwischen der Hülle und dem Kühlmedium, das die Hülle umspült, durch ein Gesetz der folgenden Form bestimmt :
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In diesen Formeln bedeuten : $ den Wärmefluss, der durch die Oberfläche s der Hülle hindurchgeht, h den Wärmeaustausch-Koeffizienten, der von der Art des Kühlmediums, seiner Strömung und von der Art der Hülle abhängt, 6 die Temperaturdifferenz zwischen der Hüllentemperatur und der mittleren Temperatur des Kühlmediums, das einen Kanal durchfliesst, in dem sich das zu kühlende Brennstoffelement befindet.
Die Temperaturdifferenz AO lässt sich durch mehrere bekannte Massnahmen verkleinern :
1. Man siebten der Oberfläche der Hülle in Längsrichtung verlaufende Kühlrippen oder Kühllamellen vor ; diese Kühlrippen vergrössern die Wärmeaustauschfläche, wodurch man eine Verringerung des Wärmeflusses durch die Einheit der Oberfläche (/s) erzielt ;
2. Man erzeugt eine Turbulenz in dem Kühlmedium, wodurch der Wärmeübertragungs- oder Austauschkoeffizient h erhöht wird ;
3.
Man wirkt gleichzeitig auf die beiden Faktoren $/s und h ein, indem man quergestellte oder in Schraubenlinien verlaufende Kühlrippen an der Hülle vorsieht. a) Bei quergestellten Kühlrippen werden die Turbulenz und die abkühlende oder wärmeübertragende Oberfläche vergrössert, aber das Kühlmedium erleidet einen grossen Druckverlust. b) Bei der Verwendung von schraubenlinienförmig angeordneten Kühlrippen folgen diese Rippen einer oder mehreren Schraubenlinien auf der Oberfläche der Hülle ; der Wärmeaustauschkoeffizient wird nur wenig erhöht.
Weiterhin ist auch die Turbulenz verhältnismässig gering, da die einzelnen FlüssigkeitTeilströmungen im wesentlichen laminar in Schraubenlinien verlaufen und praktisch unabhängig von der
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elementes begrenzt wird, die über die äusseren Ränder der Kühlflächen geht, in Längsrichtung strömt ; in- folgedessen ergibt sich bei dieser besonderen Ausführung, dass bei mehrgängigen Schraubenlinien die einzelnen Teilströmungen des Kühlmediums praktisch unabhängig voneinander sind und eine wesentliche
Verbesserung der Wärmeübertragung nicht erzielt werden kann.
Es wurde nun gefunden, dass man gleichzeitig eine grosse Wärmeaustauschfläche schaffen und einen hohen Wärmeaustauschkoeffizienten erreichen kann, wenn man eine Hüllenkonstruktion für die Brennstoff- elemente benutzt, die sich aus der bekannten Ausführungsform mit schraubenförmig angeordneten Kühlrippen ableiten lässt.
Die Erfindung betrifft nun eine Hülle für Brennstoffelemente von Kernreaktoren, die an ihrem zy- lindrischen Körper mit gewinkelten Kühlrippen (Kühllamellen) versehen ist und die die Nachteile der Ausführungen mit Längs- oder Querkühlrippen bzw. mit schraubenlinienförmig verlaufenden Kühlrippen vermeidet.
Eine solche Hülle ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen an dem
Hüllenkörper abwechselnd in zwei unterschiedlichen Serien von Schraubenlinienabschnitten angeordnet sind, die innerhalb einer Serie parallel zueinander, in den jeweils benachbarten Serien jedoch mit ent- gegengesetzter Neigung verlaufen. Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Grenze wenigstens einiger benachbarter Serien von Kühlrippen freie Durchlässe vorhanden sind, und sich zwischen zweien solcher Durchlässe wenigstens eine Serie von Kühlrippen befindet.
Bezeichnet man mitA, B, A, B... die Serien von Schraubenlinienabschnitten, wie sie am Umfang der Hülle aufeinander folgen, so haben die Schraubenlinien der einzelnen Serien A, A... sämtlich die gleiche Richtung und eine Linkssteigung ; die Schraubenlinien der benachbarten Serien B, B... haben die entgegengesetzte, d. h. eine Rechtssteigung.
Im allgemeinen Fall sind die Kühlrippen einer Serie nicht mit denen der benachbarten Serie verbun- den, sondern es sind zwischen zwei einander benachbarten Serien Durchlässe vorgesehen. Die Durchlässe, die also von Kühlrippen frei sind und zwischen den Serien A und B, B und A, A und B... liegen, mögen mit C, C, C... bezeichnet werden.
Die Serie A setzt sich aus einer bestimmten Anzahl von Kühlrippenabschnitten zusammen ; die Enden dieser Kühlrippen, die am Rande des Durchlasses C diesen begrenzen, können jeweils den Enden der
Kühlrippen der Serie B gegenüberliegen, die sich an der andern Seite des gleichen Durchlasses befinden ; wenn die Enden längs zweier bestimmter Erzeugender des zylindrischen Hüllenkörpers liegen, so befindet sich die eine Erzeugende auf der Seite der Serie A und die andere Erzeugende auf der Seite der Serie B.
In diesem Falle ist der Durchlass C zwischen den Serien A und B geradlinig. Der Durchlass bleibt auch geradlinig, wenn die Anordnung der Kühlrippenenden so erfolgt, dass die Enden der Kühlrippen A gegen- über den Enden der Kühlrippen der Gruppe B in axialer Richtung versetzt sind. Man kann dann auch zwi- schen den einzelnen Gruppen einen geraden Durchlass vorsehen ; ausserdem kann man auch zwischen un- terschiedlichen Gruppen Zwischenräume unterschiedlicher Grosse vorsehen.
Wenn die beiden erwähnten Erzeugenden zusammenfallen und die Enden der Kühlrippen nicht einander gegenüberliegen, kann, man feststellen, dass dennoch an der Grenzlinie der Serien Al und B lein
Durchlass gebildet wird, dessen Mittellinie die Linie ist, in der die Enden der Kühlrippen liegen. Dieser
Durchlass hat in der Ansicht eine Zick-Zack-Form ; er kann ein gebrochener oder gewinkelter Durchlass des ersten Typs genannt werden.
Wenn die Anordnung der Kühlrippen derart ist, dass die von den Rippenenden der einen Serie (A J) gebildete Erzeugende die Rippen der Serie B 1 kreuzt und umgekehrt, so bleibt immer noch ein "Durchlass" zwischen den Kühlrippen-Serien Aiund B i bestehen. Die Winkelung in diesem Durchlass ist gegenüber der
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kann als Durchlass des zweiten Typs bezeichnet werden.
Bei den Ausführungen mit gebrochenem oder gewinkeltem Durchlass kann man auch zwischen den I einzelnen Serien derselben Hülle Abstände unterschiedlicher Grösse vorsehen.
Eine abweichende Ausführungsform der erfindungsgemässen Hülle enthält Kühlrippen in jeder Serie, die jeweils mit den Kühlrippen der benachbarten Serien in der Weise verbunden sind, dass sie gewinkelte
Kühlrippenzüge darstellen, die als durchgehende gewinkelte Rippen um den ganzen Umfang der Hülle herumlaufen und deren Ansicht eine etwa im Zick-Zack verlaufende gebrochene Linie bildet ; bei dieser i Ausführungsform entsteht kein in Längsrichtung verlaufender Durchlass an der Oberfläche der Hülle.
Man kann nun natürlich auch sämtliche Kühlrippenanordnungen vorsehen, die zwischen diesen bei-
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den soeben geschilderten Extremen liegen, indem man die Kühlrippen mehrerer Serien miteinander verbindet und die auf diese Weise zusammengefassten Kühlrippenserien durchschmale, gerade oder gebrochene Durchlässe trennt.
Man kann beispielsweise gewinkelt verlaufende Kühlrippenzüge erhalten, die jeweils aus vier unmittelbar miteinander verbundenen Kühlrippen bestehen, welche zu vier am Umfang nebeneinander angeordneten Serien gehören ; drei dieser gewinkelten Kühlrippenzüge, zwischen denen längsgerichtete Durchlässe liegen, welche frei von Kühlrippen sind, liegen dann beispielsweise in einer bestimmten Umfangszone der Hülle.
Ganz allgemein kann man entweder nur zwischen den Kühlrippen der gleichen Serie oder zwischen den Kühlrippen der-unterschiedlichen Serien der gleichen Hülle veränderliche Abstände vorsehen ; man kann auch die Neigung der Kühlrippen gegenüber den Erzeugenden der Hüllenoberfläche unterschiedlich wählen ; man kann schliesslich an der gleichen Hülle nur eine einzige oder voneinander abweichende Typen von Durchlässen anordnen (gerade Durchlässe, gebrochene Durchlässe des ersten Typs, gebrochene Durchlässe des zweiten Typs). Die allgemeine Richtung dieser Durchlässe, die in der Längsrichtung der Hülle verläuft, kann die Richtung einer Erzeugenden der Hüllenoberfläche, aber auch die Richtung einer Schraubenlinie sein, deren Steigung ganz wesentlich grösser ist als die Steigung der Schraubenlinien, in denen die Kühlrippen verlaufen.
Die Kühlrippen sind meist sämtlich mit gleicher Höhe ausgeführt und stehen senkrecht auf der zylindrischen Oberfläche der Hülle (als Höhe wird die senkrecht über dem Hüllenkörper gemessene Höhe der Kühlrippe angesehen) ; man kann aber auch die einzelnen Kühlrippen mit unterschiedlichen Höhen ausfüh- ren. Schliesslich kann man auch die Ebene der Kühlrippen bzw. ihre Querschnittsmittellinien neigen, so dass die Kühlrippen nicht mehr senkrecht auf dem Körper der Hülle stehen.
Es sei angenommen, dass die Kühlrippen einer Serie sämtlich gleiche Abstände voneinander haben und in längsbegrenzten Umfangsabschnitten mit n Schraubenlinien (im allgemeinen eine Schraubenlinie für mehrere Abschnitte) angeordnet sind. Wenn man dann mit e den Abstand der Kühlrippen, b, die Steigung der Schraubenlinien und a den Neigungswinkel der Schraubenlinie mit der Erzeugenden des zylindrischen Hüllenkörpers be- zeichnet, so ergibt sich die Beziehung
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Die physikalisch wichtigsten Grössen, die man verändern kann, sind e und a. Wenn die Neigung ze gegeben ist, erkennt man, dass man e nur jeweils schrittweise oder sprunghaft ändern kann, indem man n variiert.
Bei einem gegebenen Abstand e der Kühlrippen kann man unterschiedliche mögliche Werte für a - jeweils entsprechend der Anzahl der Schraubelinien - ausführen.
Die Hülle gemäss der vorliegenden Erfindung gestattet es, eine Turbulenz in dem Kühlmedium zu erzeugen, wodurch man einen hohen Wärmeaustauschkoeffizienten zwischen der Hülle und dem Kühl - medium erhält.
Wählen wir ganz willkürlich eine Strömungsrichtung des Kühlmediums relativ zu einer bestimmten Anordnung des umhüllten Brennstoffelementes ; das Brennstoffelement soll beispielsweise in vertikaler Anordnung zentrisch in einem Kanal angeordnet sein und der Kühlmittelumlauf erfolgt von unten nach oben.
In diesem Falle befindet sich zwischen den inneren Begrenzungswanden des Kanals, in dem das Kühlmedium umläuft, und einer zylindrischen Hüllfläche, die das Brennstoffelement einschliesslich seiner Kühlrippen einhüllt, ein freier Raum. Der Kanal, in dem das Kühlmedium umläuft, ist im allgemeinen zylindrisch ; infolgedessen können wir den am Rande verbleibenden freien Raum"äusseren Ringraum"nen- nen. Wenn dieser Ringraum überhaupt nicht vorhanden oder nur sehr klein ist, ergibt sich keine Möglichkeit gegenseitiger Durchwirbelung des Mediums, das zwischen den Kühlrippen umläuft und des Mediums im äusseren Ringraum.
Wenn dieser Raum genügend gross ist, entsteht die Turbulenz ; das zwischen den Kühlrippen hindurchlaufende Medium kann infolge eines Strömungsaustausches mit dem Medium in dem äusseren Ringraum erneuert werden ; die aufsteigende Bewegung des Kühlmediums schafft dann zwischen den Kühlrippen Strömungen des Kühlmediums, die entweder in einer nach links oder nach rechts gerichteten Richtung - jeweils entsprechend der Anordnung der Schraubenlinien der Kühlrippen jeder Kühlrip- penserie - schräg aufwarts strömen. Es folgt daraus, dass die Teilströmungen des Kühlmediums, die in den mit entgegengesetzter Steigung verlaufenden Kühlrippenserien zweier benachbarter Serien strömen, aufeinandertreffen und dabei eine Turbulenz erzeugen.
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Längsdurchlässe vorgesehen sind.
Wenn die Kühlrippen zusammenhängen und am Umfang geschlossene, V-förmige Zick-Zack-Linien bilden, ergibt sich, dass an der Stelle des Zusammentreffens zweier schräg gegeneinander gerichteter aufwärtsströmender Teilströmungen die Flüssigkeit nach aussen herausgedrückt wird, u. zw. in erster Annäherung etwa senkrecht zum Hülsenkörper, wobei sie in den äusseren Ringraum hineinfliesst. Der Zufluss dcr Teilströmungen des Kühlmittels erfolgt an den unteren Teilen der schraubenlinienförmig gekrümmten Kanäle zwischen den Kühlrippen, die ihrerseits die Zick-Zack-Linie bilden, u. zw. ist dies eine Strömung ; die aus dem äusseren Ringraum in die Kanäle zwischen den Kühlrippen eintritt.
Bei Hüllenausführungen mit Längsdurchlässen ist zu beachten, dass die Durchlässe hinsichtlich ihrer Funktion zu zwei unterschiedlichen Arten gehören :
Die eine Art, die wir Abführungsdurchlässe nennen wollen, sind diejenigen, in denen die Flüssig - keitsteilströmungen mit entgegengesetzter Strömungsrichtung zusammenlaufen ; die andern, die wir Zulaufdurchlässe nennen, sind diejenigen, die lediglich aus dem äusseren Ringraum gespeist werden.
An dem Punkt des Zusammentreffens der Teilströmungen mit entgegengesetzter Richtung setzt ein Teil der Flüssigkeit dieser Strömungen seine aufsteigende Bewegung unmittelbar fort, indem er durch den Treffpunkt der Strömungen führt ; der grössere Teil der Flüssigkeit dieser Teilströmungen - der diesen Weg nicht gehen kann, weil der Durchlass zu eng ist, um die gesamte, aus den unterschiedlichen schraubenlinienförmigen Kanälen zusammenlaufende Flüssigkeit abzuführen-muss sich jedoch mit der in dem ausseren Ringraum aufsteigenden Flüssigkeit mischen.
Der Eintritt der Flüssigkeit in die schraubenlinienförmigen Kanäle zwischen den Kühlrippen geschieht an ihrem unteren Ende, u. zw. erfolgt die Speisung hier unmittelbar aus der Flüssigkeit des äusseren Ringraumes und/oder durch einen Flüssigkeitsanteil, der in den Zulaufdurchlässen zuströmt.
So wird in den beiden Fällen die aufsteigende Bewegung der Kühlflüssigkeit an vielen Einzelpunkten durch zahlreiche lokale Querströmungen gestört, die längs des gesamten Hüllenkörpers auftreten ; auf diese Weise erreicht man ein ausgezeichnetes Durchmischen der gesamten Menge des Kühlmediums.
Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemässe Hüllenausführung ausserdem das Auftreten einer Rotationsströmung verhindert, die bei den bekannten Anordnungen von Kühlrippen in gleichmässig durchgeführten Schraubenlinien auftritt.
Zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung unterschiedliche Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen : Fig. 1 und 2 Schemadarstellungen, die lediglich der Erläuterung des Prinzips dienen und zeigen sollen, auf welche Weise die Turbulenz bei der erfindungsgemässen Anordnung von Kühlrippen entsteht ; Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer mit Kühlrippen versehenen Brennstoffelementhülle, bei der zwischen den Serien schraubenlinienförmig ausgebildeter Kühlrippen Längsdurchlässe vorgesehen sind ; Fig. 4 und 5 schematisch dargestellte Abwicklungen eines Teiles der zylindrischen Oberfläche der Hülle in einer Ebene ; die Kühlrippen sind derart angeordnet, dass sich gebrochene Längsdurchlässe ergeben ;
Fig. 6 eine Abwicklung der zylindrischen Oberfläche der Hülle, bei der die Kühlrippen der unterschiedlichen Gruppen unmittelbar zusammenhangen und vollstandig geschlossene, in ZickZack-Form um die Hülle umlaufende Kühlrippenzüge bilden ; Fig. 7 eine Kennliniendarstellung, welche vergleichsweise den Temperaturverlauf in dem Kühlmedium bei einer Ausführung gemass der Erfindung und bei einer bekannten Ausführung einer Brennstoffhülle wiedergibt.
In den Figuren sind nur die jeweils zum Verständnis der Erfindung notwendigen Teile dargestellt.
Die Fig. 1 betrifft eine Brennstotfelementhülle gemäss der vorliegenden Erfindung, die mit längsgerichteten Durchlässen versehen ist ; der Umlauf des Kühlmediums in dem senkrechten, das Brennstoffele-
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in diesen Kanälen strömen, treffen in dem Abführungsdurchlass Cl zusammen. Die von einem Kreis umgebenden Kreuze sollen besagen, dass an diesen Stellen Flüssigkeit aus dem äusseren Ringraum in den Zuführungsdurchlass Cl und in die schraubenlinienförmigen Kanäle zwischen den Kühlrippen eintritt ; die von einem Kreis umgebenen Punkte besagen, dass an diesen Stellen die Flüssigkeit aus den Kanälen oder Durchlässen in dem äusseren Ringraum zurückströmt.
Die Fig. 2 bezieht sich auf eine Ausführungsform der Hülle, bei der die Serien A', B'von Kühlrippen l', 2' in einer zusammenhängenden, durchgehenden V-förmigen Zick-Zack-Linie angeordnet sind ; die Erneuerung oder der Wechsel der Flüssigkeit an der Brennstoffelement-Oberfläche erfolgt lediglich auf Grund der Transversalbewegungen.
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