Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffelements und Brennstoffelement zum Ausführen des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines einen oder mehrere parallel zu einander angeordnete Spaltstoffstäbe enthaltenden Brennstoffelements, welches parallel mit mehreren ihm gleichen Brennstoffelementen in einem Atom kernreaktor angeordnet und dort einem Neutronen- fluss von längs zum Element örtlich veränderlicher Stärke ausgesetzt ist und welches die in ihm erzeugte Wärmeenergie mittels mindestens einer Wärmeüber- gangsfläche an einen es längs durchströmenden Wärme träger abgibt, der die Wärmeenergie ihrer Nutzung zuträgt.
Bei bekannten Verfahren dieser Gattung wird der Wärmeträger in Parallelströmung an der als Wärme- übergangsfläche dienenden Oberfläche des Spaltstoff- stabes oder seiner Schutzhülle ( Canning ) entlang geführt. Die Stromstärke des Wärmeträgers und die Reaktorleistung, werden hierbei so eingestellt, dass an dem meist ungefähr in der Längenmitte des Elements liegenden Temperaturmaximum eine überhitzung des Spaltstoffes oder seiner Schutzhülle vermieden wird.
Es ist bekannt, die Schutzhülle mit Rippen zu ver sehen, welche sie versteifen sollen und welche die vom Wärmeträg ger bestrichene Wärmeübergangsfläche vergrössern.
Die Erfindung besteht darin, dass die Wärmeüber- gangszahl längs der Wärmeübergangsfläche derart örtlich variiert wird, dass sie sich der örtlichen Ver änderung, des Neutronenflusses und der durch ihn er zeugten Wärmestromdichte anpasst und entsprechend der örtlichen Stärke derselben grösser und kleiner ist.
Hierdurch wird unter anderen Vorteilen erzielt, dass sich das Entstehen des erwähnten in Längemnitte liegenden Temperaturmaximums vermeiden lässt. Die Temperatur lässt sich nuninehr derart vergleichmässi- gen und der örtliche Temperaturverlauf lässt sich daher derart glätten, dass sie, wie weiter unten gezeigt werden wird, längs der Wärmeübergangsfläche sogar praktisch konstant ausfallen kann.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Brenn stoffelement zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Element Mittel aufweist, durch welche die Wärme- übergangszahl längs der Wärmeübergangsfläche derart örtlich variiert wird, dass sie sich der örtlichen Ver änderung des Neutronenflusses und der durch ihn erzeugten Wärmestromdichte anpasst und entsprechend der örtlichen Stärke desselben grösser und kleiner ist.
Die Variation der Wärmeübergangszahl kann hierfür dadurch geschehen, dass das Element eine der- artig ge örtliche Variation der Strömungsquerschnitte für den Wärmeträger aufweist, dass die Geschwindig keit, mit welcher.
der Wärmeträger die Wärmeüber- gangsfläche bestreicht, längs derselben der örtlichen Veränderung des Neutronenflusses und der durch ihn erzeugten Wärmestromdichte angepasst wird und ent sprechend der örtlichen Stärke derselben grösser und kleiner ist.
Hierbei kann die Variation der Strömungsquer schnitte mittels eines Verdrängers geschehen, welcher die Wärmeträgerströmung an den Stellen stärkeren Neutronenflusses dichter an die Wärmeübergangs- fläche herandrängt, und hierdurch ihre Geschwin digkeit erhöht;
sie kann auch mittels einer schrauben förmigen Leitfläche geschehen, die in der Zylinder- förmigen Wärmeträggerströmung angeordnet ist, wobei die Schraubensteigung der Leitfläche an den Stellen stärkeren Neutronen-flusses kleiner ist und hierdurch an diesen Stellen die Geschwindigkeit der Wärme- trägerströmung erhöht wird.
Durch die erwähnten Massnahmen, die Strömungs querschnitte und mit ihnen die Geschwindigkeit zu variieren, wird ein weiterer Vorteil erzielt: Aus- gehend von der relativ hohen Geschwindigkeit, welche der Wärmeträgger im Bereich der Längenmitte der Wärmeübergang .,
sfläche besitzen muss <B>-</B> damit eine wie schon erwähnt gerade dort zu befürchtende überhitzung verhütet wird<B>-</B> nimmt nunmehr die Geschwindigkeit nach beiden Enden der Wärmeüber- gangsfläche hin beträchtlich ab. Hierdurch wird an Umwälzungsleistung des Wärmeträgers gespart. Ins besondere bei Verwendung eines gas- oder dampf förmigen Wärmetfägers erreicht diese Ersparnis be trächtliche Werte.
Die erwähnte Variation der Wärmeübergangszahl kann ferner auch dadurch geschehen, dass das Element eine Rauheit der Wärmeübergangsfläche aufweist, welche derart variiert ist, dass sie sich der örtlichen Veränderung des Neutronenflusses und der durch diesen erzeugten Wärmestromdichte anpasst und ent sprechend der örtlichen Stärke derselben grösser und kleiner ist.
Diese Massnahme kann unter Umständen eine Variation der Strömungsquerschnitte ersetzen, kann aber vorteilhaft auch in Verbindung mit einer solchen angewendet werden.
Es kann ferner ausser einer ersten zum Abführen der Nutzwärme durch den Wärmeträger dienenden Wärmeüberganggsfläche noch eine zweite Wärmeüber- gangsfläche vorgesehen sein, welche von einem Zu satzkühlmittel bestrichen werden kann und beson ders dann zur Wirkung kommt, wenn der Wänneträ- ger abgestellt wird oder infolge einer Havarie ausfällt, und dass auch längs dieser zweiten Wärmeübergangs- fläche die Wärmeübergangszahl derart örtlich variiert wird,
dass sie sich der örtlichen Veränderung des Neu tronenflusses anpasst. Hierdurch werden die Vorteile der Erfindung, g unter anderem auch für das Abführen der Restwärme nach Abstellen des Reaktors zur Wir- kung, ., gebracht.
An schematisch gezeichneten Ausführungsbei spielen soll das Wesen der Erfindung noch näher er läutert werden. Es zeigt: Fig. <B>1</B> einen Spaltstoffstab mit Schutzhülle und Leitrohr sowie Kurven des örtlichen Verlaufs verschie dener Werte bei der bekannten Parallelströmung des Wärmeträgers längs der Wärmeübergangsfläche, Fig. 2 Kurven des örtlichen Verlaufs der gleichen Werte bei Anwendung der Erfindung, Fig. <B>3</B> bis<B>9</B> Ausführungsbeispiele eines Spalt- stoffstabes für ein erfindungso:
,emässes Brennstoffele ment, Fig. <B>10</B> und<B>11</B> ein erfindungsgemässes Brenn stoffelement mit Spaltstoffstäben gemäss einem weite ren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In Fig. <B>1</B> und 2 bedeuten<B>1</B> den aus Uran bestehen den zylindrischen Spaltstoffstab, 2 die Oberfläche seiner zylindrischen Schutzhülle,<B>3</B> bzw. 4 die Ober fläche des Leitrohres, das die Wärmeträgerströmung zusammenfasst und sie in Richtung des Pfeiles<B>5</B> längs der als Wärmeübergangsfläche wirkenden Oberfläche 2 der Schutzhülle leitet.
Die in der Zeichnung senkrech- ten Läng gen der Teile 1, 2, <B>3</B> bzw. 4 sind im Massstab <B>1 : 10</B> gezeichnet. Ihre der Kurvenberechnun <B>-</B>zugrunde liegende Länge beträgt daher, wie durch Masspfeil an gegeben, in Wirklichkeit 2100 mm.
Die Radien r dieser als Rotationskörper gebildeten Teile dagegen sind im Massstab<B>5: 1</B> vergrössert gezeichnet, und ihre wirklichen Abmessungen sind auf der obersten Skala der Zeichnung in Millimetern abzulesen, woraus zum Beispiel zu ersehen ist, dass der Radius der Wärme- übergangsfläche 2 in Wirklichkeit zehn Millimeter be- träg gt, und dass daher die Achse des Spaltstoffstabes,
also r = <B>0,</B> links ausserhalb der Zeichnung liegt. Als Wärmeträger ist hier Wasserdampf<B>5</B> zuggrundegelegt, der mit etwa 40 ata und 25011 <B>C</B> von unten in den Zwi schenraum zwischen der Schutzhülle 2 und dem Leit rohr<B>3</B> bzw. 4 in nicht gezeichneter Weise eintritt, den selben in Richtung des Pfeiles<B>5</B> durchströmt, ihn mit etwa 3000C oben wieder verlässt, und dann die von ihm aufgenommene Wärmeenej#gie in nicht gezeich neter Weise ihrer Nutzung zuführt.
In Fig. <B>1</B> und 2 bedeuten ferner: t, die Temperatur des als Wärmeträger dienen den Dampfes, <U>t.</U> die Temperatur der vom Dampf bestrichenen Oberfläche der Schutzhülle 2, also der Wärme- übergangsfläche, t3 die Temperatur der dem Spaltstoff zugekehr ten Oberfläche der Schutzhülle 2, v das spezifische Volumen des Dampfes, w die Geschwindigkeit des Wärmeträgers, also des Dampfes, den Neutronenfluss im Verhältnis zu seinem
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Grösstwert, welcher letztere einem Grösstweit der Wärmestromdichte am übergang auf den Dampf entspricht,
für welchen der Wert <B>50</B> Watt/cm2 der Berechnung der Kurven zu- grundegelegt wurde, a die Wärmeübergangszahl zwischen Wärme- übergangsfläche und Dampf, im allgemeinen abhängig von der Dampfgeschwindigkeit und vom Dampfzustand.
Die für diese Werte eingezeichneten Kurven gelten nur überschläglich, dürften aber zur Erläuterung der Erfindung genügen.
Fig. <B>1</B> zeigt Bekanntes. In ihr bestreicht der Wärme- träg ger <B>5</B> die Wärmeübergangsfläche 2 in bisher übli- cher Weise in Parallelströmung. Das Leitrohr<B>3</B> ist also zylindrisch geformt.
Die Temperatur t, des Wärmeträgers<B>5</B> nimmt, wie aus den Kurven zu er sehen, infolge der von ihm aufgenommenen Wärme von unten nach oben zu, und auch sein spezifisches Volumen v und seine Geschwindigkeit w erhöhen sich .daher etwas, während die Wärmeübergangszahl a sich etwas verkleinert. Die Temperatur t. der Wärme- übergangsfläche weist, wie aus der ku-rve für<U>t.</U> er sichtlich, etwa in deren Längenmitte ein ausgespro- chenes Maximum auf und fällt von dort nach beiden Enden der Wärmeübergangsfläche hin ab.
Da die Geschwindigkeit w des Wärineträgers über die ganze Länge von 2100 mm hin hoch bleibt, so ist der zum Umwälzen des Wärmeträgers erforderliche Leistungs bedarf, zum Schaden der Gesamtleistung des Reak tors, hoch.
Fig. 2 zeigt dagegen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. In ihr ist gemäss der Erfindung die Wärme- übergangszahl a längs der Wärmeübergangsfläche derart örtlich variiert, dass sie sich dem Neutronen- fluss
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und der durch ihn erzeugten Wärine- stromdichte anpasst, wodurch der Temperaturverlauf<U>m</U> längs der Wärmeübergangsfläche 2 vergleichmässigt ZD wird,
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zur Variation der Wärmeübergangszahl <B>a</B> eine Variation der Strömungsgeschwindigkeit<I>w</I> des Wärmeträgers benutzt, wobei, wie aus der Kurve für t2 ersichtlich ist, sogar so weit gegangen werden konnte, dass die Temperatur t.# der Wärmeübergangsfläche 2 nicht nur län-s derselben vergleichmässigt, also<B>g</B> ättet wird, sondern Z,
dass sie längs derselben sogar völlig c91 konstant wird. Eine solche Glättung der Temperaturen vermag nicht nur zu einer Verringerung der im Innern des Reaktors wirkenden Wärmespannungen beizutragen, sondern es entsteht daraus noch ein weiterer Vorteil, der aus dem Verlauf, den die Kurve für die Geschwind digkeit w des Wärmeträgers nunmehr nimmt, ersicht lich ist.
Die Geschwindigkeit w behält nämlich nicht mehr, wie das in Fig. <B>1</B> der Fall war, auf der<B><U>-</U></B> nzen Län(re von 2100 mm ihren zur Verhütung .a<B>C</B> einer überhitzuno, in der Längenmitte erforderlichen hohen Wert, sondern sie besitzt diesen hohen Wert jetzt nur in der Längenmitte, während nach beiden Enden der Wärmeilber,-angsfläche hin die Geschwin- di-keit w stark abfällt.
Es er ibt sich aus diesem <B>C 9</B> Geschwindigkeitsabfall gegenüber der Fig. <B>1</B> eine wesentliche Verringerung der Umwälzleistung für den Wärmeträger, und zwar auf überschläglich die Hälfte. Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Va riation der Geschwindigkeit des Wärmeträgers ist, wie aus der eingezeichneten Gestalt der inneren Ober fläche des Leitrohres 4 hervorgeht, durch eine Varia tion der Querschnitte des Leitrohres erzielt.
Auch die Fig. <B>3</B> bis<B>7</B> sind wiederum in der Höhen richtung, also längs der Wärmeübergangsfläche, im Massstab<B>1 : 10</B> gezeichnet, während in ihnen sowie in der F!,-.<B>8</B> und<B>9</B> die Radien in ungefähr natürlicher Grösse wiedergegeben sind.
Fig. <B>3</B> entspricht etwa der Fig. 2, jedoch ist ein zylindrisches Leitrohr <B>6</B> verwendet und die Einschnü- rung nach Kurve 4 der Fig. 2 ist in Figg. <B>3</B> mittels eines Verdrängers <B>7</B> erzielt, der in das Leitrohr<B>6</B> einge schoben und an den Stellen<B>8</B> befestigt ist,
welcher Verdrängger <B>7</B> die Strömung des Wärmeträgers<B>5</B> an den Stellen stärkeren Neutronenflusses dichter an die Wärmeübergangsfläche 2 herandrängt und hierdurch an diesen Stellen die Geschwindigkeit der Wärme- träg gerströmung erhöht. Der Verdränger <B>7</B> besteht ebenso wie das Leitrohr<B>6</B> und die Schutzhülle 2 aus Zirkonium, also aus einem die Neutronen gut durch lassenden Werkstoff.
In Fig. 4 ist das Leitrohr<B>9</B> selber in der Umge bung der Längenmitte<B>10</B> der Wärmeübergangsflä- che 2 eingeschnürt, so dass es dort die Strömung des Wärmeträgers<B>5</B> dichter an die Wärmeübergangs- fläche 2 herandrängt. Zugunsten der Steifigkeit des Leitrohres<B>9</B> ist aber mit dieser Einschnürung hier nicht so weit gegangen wie mit der Einschnüruno,
durch den Verdränger <B>7</B> in Fig. <B>3.</B> Dafür ist aber in Fig. 4 die Wärmeübergangsfläche 2 in der Umgebung der Längenmitte<B>10</B> mit einer Aufrauhung, <B>11,</B> die in der Zeichnung nicht sichtbar ist, versehen, deren Rauheit ihren Höchstwert in der Längenmitte<B>10</B> erreicht, also gerade dort zur Vergrösserung der Wärmeübergangszahl a beiträgt.
Ein entlang der Wärmeüber(Tangsfläche variabler Verlauf der Rauhig- keit lässt sich in definierter Weise beispielsweise da durch realisieren, dass auf dieser Fläche ein Feinge winde mit variabler Steigung und/oder Rillentiefe an gebracht wird.
In Fig. <B>5</B> ist der massive Verdränger <B>7</B> der Fig. <B>3,</B> um Neutronen zu sparen, durch einen hohlen Ver- dränger 12 ersetzt, der aus dünnern Zirkonium be steht und dessen hohle Aussenseite mit Graphit<B>13</B> gefüllt ist.
Figg. <B>6</B> ist ein Schnitt nach VI-VI der Fig. <B>5.</B>
In Fig. <B>7</B> fliesst der Wärmeträger<B>5</B> durch ein in den Spaltstoffstab eingebettetes Zirkoniumrohr 14, dessen innere Oberfläche somit als Wärmeübergangs- fläche und das zugleich als Leitrohr wirkt. Es ist in der Umgebung der Längenmitte<B>10</B> eingeschnürt, wo durch die Geschwindigkeit des Wärmeträgers der Stärke des Neutronenflusses angepasst wird.
In Fig. <B>8</B> und seinem in Fig. <B>9</B> gezeichneten Quer schnitt nach IX-IX ist ein zylindrisches, als Wärme- übergangsfläche wirkendes Zirkonrohr <B>15</B> in den Spalt stoff<B>1</B> eingebettet, welches vom Wälmeträger <B>5</B> durch flossen wird.
Mittels eines aus Zirkon bestehenden Verdrängers <B>16,</B> der durch Rippen<B>17</B> im Rohr<B>16</B> zentriert und durch Halterungen<B>18</B> längsausdehnbar gehalten ist, wird die Wärmeträgerströmung <B>5</B> in der Umgebung der Längenmitte<B>10</B> an die Wärmeüber- gangsfläche herangedrängt, wodurch die Geschwindig keit des Wärmeträgers<B>5</B> der Stärke des Neutronen flusses angepasst wird.
Fig. <B>10</B> und sein in Filg. <B>11</B> gezeichneter Quer schnitt nach XI-XI erläutert an einem Brennstoff- elernent ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Variation der Strömungsquerschnitte für den Wärme träger mittels einer schraubenförmigen Leitfläche geschieht.
Es sind hier acht Spaltstoffstäbe 21 mit Schutzhüllen 22, die als Wärmeübergangsflächen dienen, in einem die acht Leitrohre enthaltenden Leit körper<B>23</B> zusammengefasst und mit ihm in ein zur Aufnahme des Dampfdruckes von etwa 40 ata ge eignetes Druckrohr 24 aus neutronendurchlässigem. Werkstoff gesetzt.
Der als Wärmeträger dienende Dampf fliesst, wie durch Strömungspfeile<B>5</B> angegeben, steigt in den Leitrohren des Leitkörpers <B>23</B> auf und trifft dort auf die schraubenförmige Leitfläche<B>25,</B> deren Schraubensteigung sich nach der Längenmitte der Wärmeübergangsfläche 22 hin verkleinert und sich alsdann zum oberen Ende der Wärmeübergangs- fläche hin wieder vergrössert, wodurch die Geschwin digkeit, mit welcher der Wärmeträger die Wärme- übergangsfläche 22 bestreicht, längs derselben der örtlichen Veränderung des Neutronenflusses angepasst wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Kurvenbild der Fig. 2 auch für Fig. <B>10</B> gilt. Die Zwischenräume zwischen dem Leitkörper<B>23</B> und dem Druckrohr 24 sind mit Graphit <B>26</B> gefüllt und das ganze vom Druck rohr 24 umschlossene Brennstoffelement ist in ein Kalandriarohr <B>27</B> des Moderatorbehälters <B>28</B> einge senkt. Der zwischen dem Druckrohr 24 und dem Ka- landriarohr <B>27</B> verbleibende Zwischenraum dient einer seits zur Isolation des Moderatortanks gegen die Dampfwärme.
Anderseits soll er aber im Falle eines Abstellens oder Ausbleibens der Wänneträgerströ- mung <B>5</B> von einem Zusatzkühlmittel in Richtung der Pfeile<B>29</B> durchflossen werden, wobei die äussere Oberfläche des Druckrohres 24 als eine Wärmeüber- gangsfläche wirksam wird. Auch in diesem Zwischen raum ist eine schraubenförmige Leitfläche<B>30</B> ange ordnet, deren Schraubensteigung bis etwa zur Längen mitte abnimmt und dann wieder zunimmt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf diese Ausführungsbeispiele. So können insbesondere auch andere Anordnungen, andere Werk- und Arbeitsstoffe sowie den jeweiligen Umständen angepasste Wärme- träger g und Wege derselben gewählt werden.