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Umhüllung für hohle Kernreaktorbrennstoffelemente
Die Erfindung bezieht sich auf Umhüllungen für hohle Kernreaktorbrennstoffelemente für Kernreak- toren mit einem unter Druck strömenden Kühlmittel, die einen Wärmeaustausch zwischen den Brennstoff- elementen und dem Aussenraum der Umhüllungen ermöglichen sollen.
Es ist ein wichtiges Problem, einen möglichst intensiven Wärmeübergang zwischen Brennstoffele- ment und Aussenraum herzustellen.
Bei einer bekannten Umhüllung, die einen Wärmeaustausch zwischen den Brennstoffelementen von Kernreaktoren und der Kühlflüssigkeit, die um die Umhüllung der Elemente herumfliesst, ermöglicht, sind Hohlelemente, insbesondere zylindrische Hohlelemente vorgesehen, bei denen der Brennstoff ringförmig verteilt zwischen einem äusseren und einem inneren metallischen Mantel angeordnet ist, wobei diese Mäntel durch ringförmige Stirnteile, im allgemeinen durch Schweissen, miteinander verbunden sind.
Bei Inbetriebsetzen des Reaktors kann die Berührung zwischen den Brennstoffelementen und der Umhüllung, die in kaltem Zustand mehr oder weniger gut ist, in gewissen Bereichen als Folge von Unterschieden bei der Wärmeausdehnung zwischen dem Metall der Umhüllung und dem Brennstoff merklich schlechter werden. Der Wärmeaustausch wird dadurch verringert und die Möglichkeiten zum Verwenden von hohlen Brennstoffelementen, die angemessen gekühlt werden müssen, begrenzt. So kann die Verwendung eines Brennstoffes, der sich viel stärker oder schwächer als das Metall der Umhüllung ausdehnt, zu Zwischenräumen zwischen diesen Teilen führen.
Dies ist umso lästiger, als eine höhere Ausdehnung des Brennstoffes in bezug auf die Umhüllung die Berührung zwischen dem äusseren Mantel der Umhüllung und dem Brennstoffelement begünstigt und also angestrebt werden müsste, wenn sie nicht anderseits die Vergrösserung des Spieles zwischen dem inneren Mantel der Umhüllung und dem Brennstoffelement zur Folge hätte.
Zweck der Erfindung ist es, eine Umhüllung für hohle Kernreaktorbrennstoffelemente zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist.
Die Erfindung geht aus von hohlen zylindrischen Kernreaktorbrennstoffelementen, die von einer Umhüllung mit einem inneren und einem äusseren Mantel, welche an ihren Enden durch kranzförmige Stirnteile verbunden sind, umgeben werden, und die bei Kernreaktoren, die durch ein unter Druck stehendes Kühlströmungsmittel gekühlt sind, verwendet werden.
Gemäss der Erfindung ist diese Umhüllung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mantel derselben derart ausgebildet ist, dab dieser durch die auf ihn einwirkenden Druckkräfte der Kühlflüssigkeit in radialer Richtung unter plastischer oder elastischer Deformation an den Kernbrennstoff angepresst wird.
Die Hülle besitzt im allgemeinen eine Ausdehnungsfähigkeit, die von der des Kernbrennstoffes abweicht, und letztere ist im allgemeinen wesentlich grösser, was bewirkt, dass dieser sich gegen die äussere Hülle anlegt, sobald die Temperatur ansteigt. Diese Ausdehnung hat aber auch zur Folge, dass der Kernbrennstoff die Neigung hat, sich von der inneren Hülle abzulösen, da deren Ausdehnung ja geringer ist.
Oberhalb einer gewissen Temperatur überlagert sich der Druck des im Inneren strömenden Kühlmittels der thermischen Ausdehnung der inneren Hülle in Form einer mechanischen Deformation derselben.
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Wenn diese Deformation nicht nach einer gewissen Ausdehnung des Kernbrennstoffes zu Beginn seines
Aufheizens eintritt, löst sich die innere Hülle ab, weil ja ihre Ausdehnung geringer ist als die des Brenn- stoffes. Wenn der Kühlmitteldruck und die Temperatur genügend hoch geworden sind, kann die innere
Hülle nicht mehr dem Kühlmitteldruck widerstehen, und sie deformiert sich bis zum Anliegen an den
Brennstoff. Bei weiterem Temperaturanstieg wird die Ausdehnung der inneren Hülle durch den Brennstoff begrenzt, der sich nicht so schnell dehnt, so dass sie sich mit einem gewissen Druck an ihn anlehnt.
Vollzieht sich die mechanische Deformation der inneren Hülle vom Augenblick der Dehnung des
Brennstoffes an, kann keine Zunahme der Entfernung eintreten, die den Brennstoff von der Kühlung der inneren Hülle trennt. Ist diese sehr gering, so gibt es praktisch kein Loslösen des Brennstoffes vom inneren
Mantel. Dieser wird also sofort an den Brennstoff gedrückt, und seine Oberflächenverschiebungen in bezug auf die Hülle sind identisch den Oberflächenverschiebungen der letzteren.
Bei geeigneter Auswahl des Materials (Metalles) und der Struktur der inneren Hülle ist es möglich, die erfindungsgemässe Deformation der Hülle entweder erst nach Beginn der thermischen Ausdehnung des
Kernbrennstoffes zufolge des Aufheizens oder im Verlaufe derselben auftreten zu lassen.
Was bisher für die innere Hülle gesagt wurde, gilt sinngemäss natürlich auch für die äussere Hülle.
Die Wirkung geht also primär vom Kühlmitteldruck aus, und gleichsam als Vermittler tritt die pla- stische oder elastische Deformierbarkeit des Hüllenmaterials hinzu, wobei dann dieses so gewählt werden kann, dass diese Vermittlerwirkung bei bestimmten Gelegenheiten einsetzt. Die plastische Defor- mation liesse sich auch im kalten Zustand erzielen, aber dafür sind dann wesentlich höhere Strömungs- mitteldrücke erforderlich, die mit den Kühlmitteldrücken bei Kernreaktoren, die regelmässig in der Grö- sse von 25 atm liegen und bis zu 100 atm ansteigen können, unvereinbar sind. Die elastische Deformation erfordert eine angemessene Struktur des inneren Mantels und andere mechanische Eigenschaften des Mantelmaterials als bei der Anwendung plastischer Deformation, wobei z. B. Stahl od. dgl. verwendet werden kann.
Wenn in diesem Falle das komprimierte Kühlströmungsmittel nicht mehr im Innenraum des Brennstoffelementes fliesst, hört die Berührung zwischen dem Brennstoff und dem inneren Mantel auf, der dann unmittelbar in seine ursprüngliche Lage zurückkehrt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Das erste Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Anordnung, bei der der innere Mantel eines hohlen Brennstoffelementes plastisch deformierbar ist und Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Brennstoffelementes zu Beginn des Aufheizens und vor der plastischen Deformation ; Fig. 2 ist ein Längsschnitt des Brennstoffelementes an der Stelle lI-lI von Fig. 1 und zeigt den oberen Abschnitt dieses Elementes, ebenfalls zu Beginn des Aufheizens. Das zweite und dritte Ausführungsbeispiel beziehen sich auf eine Anordnung mit elastischer Deformation des inneren Mantels bei hohlen Brennstoffelementen.
Fig. 3 ist ein Querschnitt eines Elementes nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ; Fig. 4 ist eine vergrösserte Ansicht eines Bereiches von Fig. 3 ; Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Elementes gemäss dem dritten Ausführungsbeispiel ; Fig. 6 ist eine vergrösserte Ansicht eines Bereiches von Fig. 5.
In den Fig. 1 und 2 ist der Brennstoff mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Die Umhüllung 2 aus Magnesium ist durch einen inneren Mantel 3 und einen äusseren Mantel 4 gebildet, die mittels kranzförmiger Stirnteile 5 durch Schweissen verbunden sind. Beim Inbetriebsetzen des Kernreaktors fliesst das Kühlströmungsmittel im Aussenraum des Elementes und in dem zentralen Raum 6. Der Brennstoff 1 dehnt sich unter der Wirkung der ansteigenden Temperatur aus und seine äussere Oberfläche kommt in enge Berührung mit dem äusseren Mantel 4, der sich weniger schnell ausdehnt als der Brennstoff. Die innere Oberfläche des Brennstoffelementes entfernt sich hingegen von dem inneren Mantel 3 und der auf diese Weise entstehende Zwischenraum kann 1 - 2 mm betragen.
Die Wärme wird sodann ausschliesslich über den Aussenmantel des Elementes abgegeben, da zwischen der Umhüllung 2 und dem Brennstoff 1 lediglich eine Berührung an dem äusseren Mantel 4 besteht. Das zur Kühlung verwendete Gas erwärmt sich nach und nach. Es wird dabei in den Wärmeaustauschern des Reaktors nicht gekühlt. Sobald die Temperatur des Gases 2000 C erreicht hat, die als Eintrittstemperatur in dem Reaktor vorgesehen ist, wird der innere Mantel 3 durch den Druck des Gases, der dann mindestens 30 atm betragen soll, plastisch verformt. Diese Grössen gelten für einen 1 - 2 mm starken Magnesiummantel.
Sobald der innere Mantel 3 an den Brennstoff angepresst ist, wirkt die gesamte Umhüllung normal als Wärmeübertrager und man kann sodann das Kohlensäurekühlgas in den Wärmeaustauschern des Reaktors kühlen, der dann mit voller Leistung arbeiten kann.
In gleicher Weise lassen sich auch Mäntel aus Aluminium verwenden, aber die oben angegebenen Zahlenwerte sind dann anders.
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Fig. 3 zeigt die äusseren und inneren Mäntel 7 und 8 der Umhüllung eines andern Elementes, dessen
Brennstoff mit der Bezugsziffer 9 bezeichnet ist. Der äussere Mantel weist Längsrippen auf und besteht z. B. aus Aluminium. Der innere Mantel 8 ist z. B. aus Aluminiumblech hergestellt mit drei sternförmig verlaufenden Fortsätzen 10, 11 und 12, die durch Falten des Bleches gebildet sind. Die Dicke des Bleches beträgt 1/10-2/10 mm. Einzelheiten eines Fortsatzes sind in Fig. 4 dargestellt. Sobald der Brennstoff 9 sich ausdehnt, entfernt sich die innere Mantelfläche desselben aus ihrer ursprünglichen Lage von dem in- neren Mantel.
Der Durchtritt von Kühlmittel, das in dem zentralen Bereich 13 des Elementes unter Druck steht, bewirkt ein elastisches Auseinandergehen der Abschnitte 14 und 15 des Fortsatzes 10 und daher eine
Vergrösserung des Durchmessers des inneren Mantels. Dieser steht in ständiger Berührung mit dem Brennstoff, sobald das Kühlmittel mit einem ausreichenden Druck in dem Kanal des Kernreaktors, in dem das
Brennstoffelement angeordnet ist, strömt.
In Fig. 5 und 6 sind der Brennstoff 16 sowie der äussere und innere Mantel 17 bzw. 18 einer dritten
Ausführungsart eines Brennstoffelementes gezeigt. Die gesamte Umhüllung ist aus Magnesium hergestellt.
Das spezielle Profil des inneren Mantels ist durch Ziehen erzeugt. Die Dicke an den nicht mit Fortsätzen versehenen Bereichen beträgt 1, 5 mm. Jeder Fortsatz 19 weist einen Längsspalt 20 auf mit einem Längs- kanal 21 von sehr kleinem Durchmesser, der mit dem Spalt in Verbindung steht. Der Kanal 21 ist beim
Ziehen hergestellt und der Spalt 20 ist mit einer Säge angefertigt. Die Umhüllung des Brennstoffes ge- schieht in der gleichen Weise wie bei dem vorhergehenden Beispiel. Der innere Mantel 18 liegt als Folge des Kühlmitteldruckes beständig gegen den Brennstoff. Die elastische Deformation ist durch den Schlitz in jedem Fortsatz ermöglicht. Zweck des Kanals 21 ist es, einen Bruch durch Kerbwirkung am Grunde des
Längsschlitzes 20 zu vermeiden.
Eine solche Ausbildung ermöglicht den Bau eines elastisch deformierbaren inneren Mantels der Um- hüllung aus einem Neutronen wenig absorbierenden Material.
Die Breite der Fortsätze z und 12 (Fig. 3 und 4) beträgt in radialer Richtung 10 mm, die Ge- samtbreite des Fortsatzes 19 (Fig. 6) an der Basiszone beträgt in Umfangsrichtung 5 mm, die Breite des
Spaltes 20 ist an dieser Stelle 0,5 mm. Der Kanal 21 hat einen Durchmesser von 0,5 bis 1 mm. Diese
Zahlenwerte entsprechen dem Zustand beim Inbetriebsetzen der Brennstoffelemente (unter Druck und
Hitze).
PATENTANSPRÜCHE :
1. Umhüllung für hohle Kernreaktorbrennstoffelemente von zylindrischer Form mit einem inneren
Mantel und einem äusseren Mantel, die an ihren Enden durch kranzförmige Stirnteile miteinander ver- bunden sind, für Kernreaktoren mit einem unter Druck stehenden Kühlströmungsmittel, dadurch gekenn- zeichnet, dass mindestens ein Mantel (3,4) der Umhüllung (2) derart ausgebildet ist, dass dieser durch die auf ihn einwirkenden Druckkräfte der Kühlflüssigkeit in radialer Richtung unter plastischer oder elasti- scher Deformation an den Kernbrennstoff (1) angepresst wird.