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.
Method for operating a fuel element and fuel element for carrying out the method The invention relates to a method for operating a fuel element containing one or more fuel rods arranged parallel to one another, which is arranged in parallel with several identical fuel elements in an atomic nuclear reactor and there is a neutron flux is exposed to a locally variable strength lengthways to the element and which gives off the heat energy generated in it by means of at least one heat transfer surface to a heat carrier flowing through it lengthways, which transfers the heat energy to its use.
In known methods of this type, the heat transfer medium is guided in parallel flow along the surface of the fissile material rod serving as a heat transfer surface or its protective covering (canning). The current strength of the heat transfer medium and the reactor output are set in such a way that overheating of the fissile material or its protective cover is avoided at the temperature maximum, which is usually approximately in the middle of the length of the element.
It is known to see the protective cover with ribs ver, which they should stiffen and which enlarge the heat transfer surface coated by the Wärmeträg ger.
The invention consists in the fact that the heat transfer coefficient is locally varied along the heat transfer surface in such a way that it adapts to the local change, the neutron flux and the heat flux density generated by it and is larger and smaller according to the local strength thereof.
This achieves, among other advantages, that the occurrence of the mentioned temperature maximum lying in longitudinal sections can be avoided. The temperature can now be evened out in such a way and the local temperature profile can therefore be smoothed out in such a way that, as will be shown below, it can even be practically constant along the heat transfer surface.
The invention also relates to a fuel element for carrying out the method according to the invention, which is characterized in that the element has means by which the heat transfer coefficient is varied locally along the heat transfer surface in such a way that it follows the local change in the neutron flux and adjusts to the heat flow density generated by it and is larger and smaller according to the local strength of the same.
For this purpose, the variation of the heat transfer coefficient can take place in that the element has such a ge local variation of the flow cross-sections for the heat transfer medium that the speed with which.
the heat transfer medium sweeps the heat transfer surface, along which it is adapted to the local change in the neutron flux and the heat flux density generated by it, and is larger and smaller according to the local strength thereof.
The flow cross-sections can be varied by means of a displacer, which pushes the heat carrier flow closer to the heat transfer surface at the points of stronger neutron flow, thereby increasing its speed;
it can also be done by means of a helical guide surface which is arranged in the cylindrical heat carrier flow, the helical slope of the guide surface being smaller at the points of stronger neutron flow and the speed of the heat carrier flow being increased at these points.
A further advantage is achieved through the aforementioned measures of varying the flow cross-sections and with them the speed: starting from the relatively high speed which the heat transfer medium in the area of the mid-length of the heat transfer.,
must have <B> - </B> so that overheating, which is to be feared there, as already mentioned, is prevented <B> - </B> the speed now decreases considerably towards both ends of the heat transfer surface. This saves on the circulation capacity of the heat transfer medium. In particular, when using a gas or vapor-shaped heat exchanger, this saving is considerable.
The mentioned variation of the heat transfer coefficient can also take place in that the element has a roughness of the heat transfer surface which is varied in such a way that it adapts to the local change in the neutron flux and the heat flux generated by it and, according to the local strength, larger and smaller is.
Under certain circumstances, this measure can replace a variation in the flow cross-sections, but it can also advantageously be used in conjunction with such a variation.
In addition to a first heat transfer surface serving to dissipate the useful heat through the heat transfer medium, a second heat transfer area can also be provided, which can be coated with an additional coolant and is particularly effective when the heat transfer device is turned off or as a result of a The accident fails and the heat transfer coefficient is varied locally along this second heat transfer surface in such a way that
that it adapts to the local change in the neutron flow. As a result, the advantages of the invention, g inter alia also for the removal of the residual heat after the reactor has been switched off, are brought into effect.
At schematically drawn Ausführungsbei play the essence of the invention in more detail he will be explained. It shows: Fig. 1 </B> a fission material rod with protective cover and guide tube as well as curves of the local course of various values with the known parallel flow of the heat carrier along the heat transfer surface, Fig. 2 curves of the local course of the same values when using the Invention, Figs. <B> 3 </B> to <B> 9 </B> Exemplary embodiments of a fission material rod for an invention:
, Emässes fuel element, FIGS. 10 and 11 show a fuel element according to the invention with fissile material rods according to a further exemplary embodiment of the invention.
In FIGS. 1 and 2, 1 and 1 denote the cylindrical fissile material rod, 2 denotes the surface of its cylindrical protective sheath, 3 and 4 denote the upper Area of the guide tube that combines the heat transfer medium flow and guides it in the direction of the arrow <B> 5 </B> along the surface 2 of the protective cover, which acts as a heat transfer area.
The vertical lengths of parts 1, 2, <B> 3 </B> and 4 in the drawing are drawn on a scale of <B> 1:10 </B>. The length on which the curve calculation is based is therefore, as indicated by the arrowhead, actually 2100 mm.
The radii r of these parts formed as bodies of revolution, on the other hand, are drawn enlarged to a scale of <B> 5: 1 </B>, and their real dimensions can be read off on the top scale of the drawing in millimeters, from which it can be seen, for example, that the radius of the heat transfer surface 2 is actually ten millimeters, and that therefore the axis of the fissile material rod,
so r = <B> 0, </B> is on the left outside the drawing. The heat transfer medium used here is water vapor <B> 5 </B>, which with about 40 ATA and 25011 <B> C </B> from below into the space between the protective cover 2 and the duct <B> 3 </ B> or 4 enters in a manner not shown, flows through the same in the direction of the arrow <B> 5 </B>, leaves it again at about 3000C at the top, and then the heat energy absorbed by it in a manner not shown Use.
In FIGS. 1 and 2 also mean: t, the temperature of the steam serving as the heat transfer medium, <U> t. </U> the temperature of the surface of the protective cover 2 coated by the steam, that is to say the heat - transition area, t3 the temperature of the surface of the protective envelope 2 facing the fissile material, v the specific volume of the steam, w the speed of the heat carrier, i.e. the steam, the neutron flux in relation to its
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Maximum value, which the latter corresponds to the greatest amount of the heat flux density at the transition to the steam,
for which the value <B> 50 </B> Watt / cm2 was used as a basis for the calculation of the curves, a the heat transfer coefficient between heat transfer surface and steam, generally dependent on the steam speed and the steam condition.
The curves drawn in for these values are only approximate, but should suffice to explain the invention.
Fig. 1 shows the known. In it, the heat carrier <B> 5 </B> sweeps the heat transfer surface 2 in a parallel flow in the manner that has been customary up to now. The guide tube <B> 3 </B> is therefore cylindrical in shape.
The temperature t, of the heat carrier <B> 5 </B> increases, as can be seen from the curves, as a result of the heat absorbed by it from bottom to top, and its specific volume v and its speed w therefore also increase something, while the heat transfer coefficient a decreases slightly. The temperature t. As can be seen from the curve for <U> t. </U>, the heat transfer surface has a pronounced maximum approximately in the middle of its length and from there falls off towards both ends of the heat transfer surface.
Since the speed w of the heat carrier remains high over the entire length of 2100 mm, the power required to circulate the heat carrier is high, to the detriment of the overall power of the reactor.
In contrast, Fig. 2 shows an embodiment of the invention. According to the invention, the heat transfer coefficient a is locally varied in it along the heat transfer surface in such a way that it is aligned with the neutron flux
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and adjusts the heat flow density generated by it, whereby the temperature profile <U> m </U> along the heat transfer surface 2 is evened out ZD,
In the present exemplary embodiment, a variation of the flow velocity <I> w </I> of the heat transfer medium is used to vary the heat transfer coefficient <B> a </B>, whereby, as can be seen from the curve for t2, it was even possible to go as far as that the temperature t. # of the heat transfer surface 2 is not only equalized for a long time, i.e. <B> g </B>, but Z,
that along it it even becomes completely constant. Such a smoothing of the temperatures is not only able to contribute to a reduction in the thermal stresses acting inside the reactor, but it also gives rise to another advantage that is evident from the curve that the curve for the speed w of the heat carrier now takes .
This is because the speed w no longer maintains, as was the case in Fig. 1 </B>, on the <B> <U> - </U> </B> length of 2100 mm to prevent .a <B> C </B> an overheating required in the middle of the length, but it now only has this high value in the middle of the length, while the speed increases towards both ends of the heat distribution surface w drops sharply.
This <B> C 9 </B> drop in speed compared to FIG. 1 <B> 1 </B> results in a substantial reduction in the circulation capacity for the heat transfer medium, namely to roughly half. The Va riation of the speed of the heat carrier used in this embodiment is, as can be seen from the shown shape of the inner upper surface of the guide tube 4, achieved by a Varia tion of the cross sections of the guide tube.
Figures <B> 3 </B> to <B> 7 </B> are again drawn in the height direction, that is to say along the heat transfer surface, on a scale <B> 1: 10 </B>, while in them as well as in the F!, -. <B> 8 </B> and <B> 9 </B> the radii are shown in approximately natural size.
FIG. 3 corresponds approximately to FIG. 2, but a cylindrical guide tube <B> 6 </B> is used and the constriction according to curve 4 of FIG. 2 is shown in FIG. <B> 3 </B> achieved by means of a displacer <B> 7 </B>, which is pushed into the guide tube <B> 6 </B> and fastened at points <B> 8 </B>,
which displacer <B> 7 </B> pushes the flow of the heat carrier <B> 5 </B> closer to the heat transfer surface 2 at the points of stronger neutron flow and thereby increases the speed of the heat carrier flow at these points. The displacer <B> 7 </B>, like the guide tube <B> 6 </B> and the protective sheath 2, consists of zirconium, that is of a material that allows the neutrons to pass through.
In FIG. 4, the guide tube <B> 9 </B> itself is constricted in the vicinity of the mid-length <B> 10 </B> of the heat transfer surface 2, so that there is the flow of the heat carrier <B> 5 < / B> is pushed closer to the heat transfer surface 2. In favor of the rigidity of the guide scope <B> 9 </B>, however, this constriction did not go as far as with the constriction,
by the displacer <B> 7 </B> in FIG. <B> 3. </B> However, in FIG. 4, the heat transfer surface 2 in the vicinity of the longitudinal center <B> 10 </B> is roughened, <B> 11 </B>, which is not visible in the drawing, whose roughness reaches its maximum value in the middle of the length <B> 10 </B>, i.e. it is precisely there that it contributes to the increase in the heat transfer coefficient a.
A variable course of the roughness along the heat transfer surface can be implemented in a defined manner, for example, by applying a fine thread with a variable pitch and / or groove depth to this surface.
In FIG. 5, the massive displacer <B> 7 </B> of FIG. 3, in order to save neutrons, is replaced by a hollow displacer 12 which made of thin zirconium and the hollow outside is filled with graphite <B> 13 </B>.
Figg. <B> 6 </B> is a section according to VI-VI of FIG. <B> 5. </B>
In FIG. 7, the heat transfer medium 5 flows through a zirconium tube 14 embedded in the fission material rod, the inner surface of which thus acts as a heat transfer surface and which at the same time acts as a guide tube. It is constricted in the vicinity of the mid-length <B> 10 </B>, where the strength of the neutron flux is adjusted by the speed of the heat carrier.
In Fig. 8 and its cross-section according to IX-IX shown in Fig. 9, there is a cylindrical zirconium tube 15 acting as a heat transfer surface embedded in the fissile material <B> 1 </B>, which is flowed through by the roller carrier <B> 5 </B>.
By means of a zirconium displacer <B> 16 </B> which is centered by ribs <B> 17 </B> in the tube <B> 16 </B> and held in a longitudinally expandable manner by brackets <B> 18 </B> is, the heat carrier flow <B> 5 </B> in the vicinity of the longitudinal center <B> 10 </B> is forced to the heat transfer surface, whereby the speed of the heat carrier <B> 5 </B> the strength of the Neutron flux is adjusted.
Fig. 10 and his in Filg. <B> 11 </B> The drawn cross-section according to XI-XI explains an exemplary embodiment using a fuel element in which the flow cross-sections for the heat carrier are varied by means of a helical guide surface.
There are eight fissile material rods 21 with protective covers 22, which serve as heat transfer surfaces, combined in a guide body 23 containing the eight guide tubes and with it into a pressure tube 24 suitable for absorbing the vapor pressure of about 40 ata neutron permeable. Material set.
The steam serving as a heat transfer medium flows, as indicated by flow arrows <B> 5 </B>, rises in the guide tubes of the guide body <B> 23 </B> and there meets the helical guide surface <B> 25, </ B > the helical pitch of which decreases towards the middle of the length of the heat transfer surface 22 and then increases again towards the upper end of the heat transfer surface, whereby the speed at which the heat carrier sweeps the heat transfer surface 22 is adjusted along the same to the local change in the neutron flux becomes.
It should be pointed out that the graph of FIG. 2 also applies to FIG. 10. The spaces between the guide body 23 and the pressure tube 24 are filled with graphite 26 and the entire fuel element enclosed by the pressure tube 24 is in a calendered tube 27 of the moderator container <B> 28 </B>. The space remaining between the pressure pipe 24 and the Kalandriaroube <B> 27 </B> serves on the one hand to isolate the moderator tank from the steam heat.
On the other hand, however, in the event that the heat carrier flow <B> 5 </B> is switched off or absent, an additional coolant should flow through it in the direction of the arrows <B> 29 </B>, with the outer surface of the pressure pipe 24 as a heat transfer - the passage area becomes effective. A helical guide surface <B> 30 </B> is also arranged in this intermediate space, the helical pitch of which decreases up to about mid-length and then increases again.
The invention is not restricted to these exemplary embodiments. In particular, other arrangements, other materials and working materials as well as heat carriers g and paths of the same adapted to the respective circumstances can also be selected.