DE1041174B - Spaltstoffelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren, und zwar insbesondere auf Spaltstoffelemente für Reaktoren, bei denen ein Gas als Kühlmittel dient.

In einem gasgekühlten. Kernreaktor für Energieerzeugung sind die Spaltstoffelemente üblicherweise in Form zylindrischer Uranstäbe ausgebildet, deren jeder in einem Metallbehälter steckt, wobei Vorsorge getroffen werden muß, daß keine Spaltprodukte entweichen, und auch verbindert werden muß, daß das Kühlgas in Berührung mit dem Uran, kommt.

Um den Wärmeübergang vom Uran durch die Behälterwandung auf das Gas zu unterstützen, wird der Behälter üblicherweise an seiner äußeren Oberfläche mit Kühlrippen versehen. Die innerhalb des Urankorpers erzeugte Wärme kann nur in der Weise entweichen, daß sie zur Oberfläche des Stabes fließt, wobei der nach auswärts gerichtete radiale Fluß der Wärme mit einem radialen Temperaturgradienten verknüpft ist, so daß also die Temperatur im Zentrum des Stabes höher ist als an dessen Oberfläche, und zwar um einen Betrag, der annähernd proportional der abgeführten Wärmemenge sowie dem Radius des Stabes· ist.

Im Interesse des wirtschaftlichen Einsatzes des Heizmaterials und thermischen Wirkungsgrades der Energieanlage ist es zweckmäßig, die Spaltstoffstäbe mit möglichst hohen Werten der Oberflächentemperaturen, und des Wärmeflusses zu betreiben. In dieser Hinsicht ist möglichen Verbesserungen dadurch eine Grenze gesetzt, daß eine Änderung des physikalischen Zustandes, begleitet von einer bemerkenswerten Ausdehnung im Uran, bei etwa 665° C stattfindet. Um eine Schädigung des Spaltstoffes zu vermeiden, ist es erforderlich, die Temperatur im Zentrum des Stabes unterhalb dieses Wertes zu halten. Infolgedessen muß die Oberflächentemperatur des Heizmaterials auf einen sogar noch niedriger liegenden Wert begrenzt werden, entsprechend der zwischen dem Zentrum und der Oberfläche des Brennstoffstabes bedingten Temperaturdifferenz. In dem Maße, in: welchem diese Temperaturdifferenz verringert werden kann, könnte die zulässige Oberflächentemperatur des Heizmaterials um einen entsprechenden Betrag angehoben werden.

Die Temperaturifferenz kann bekanntlich dadurch verringert werden, daß man das Uran in Form eines dünnwandigen Rohres oder einer dünnen Platte anstatt in Form eines vollen Stabes ausbildet, indes führt dies dazu, die Neutronenmultiplikationskonstante des Reaktors zu reduzieren, da bei der Spaltung in. Freiheit gesetzte schnelle Neutronen leichter aus einem dünnwanidigen Rohr oder aus einer dünnen Platte entweichen können, ohne daß sie mit den Urankernen kollidieren, wie es bei einem vollen Stab der Fall ist. Infolgedessen ist eine Verringerung in der Spaltungs-Spaltstoffelement für Kernreaktoren

Anmelder:

A. E. I. — John Thompson Nuclear Energy Company Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. Dr. M. Herzfeld, Patentanwalt, Düsseldorf, Kreuzstr. 32

Peter Raymond Joseph French, Rugby, Warwickshire

(Großbritannien), ist als Erfinder genannt worden

häufigkeit gegeben, wodurch wiederum die Erzeugung zusätzlicher, bei Kollisionen innerhalb des Stabes freigesetzter Neutronen gedrückt wird. Überdies ist die Oberfläche eines dünnwandigen Rohres oder einer dünnen Platte erheblich größer als die eines dieselbe Uranmenge enthaltenden vollen Stabes. Dementsprechend ist auch die Absorption¹ von Resonanzneutronen, die teilweise eine Oberflächenwirkung ist, größer als im Falle eines Rohres oder einer dünnen Platte.

Erfindungsgemäß ist das rohrförmige Spaltstoffelement aus spaltbarem Material mit nach außen ragenden Rippen oder Flossen versehen, die ebenfalls aus spaltbarem Material bestehen und in einem Stück mit dem Rohr ausgebildet oder fest mit demselben verbunden sind.

Die Rippen können verschiedene Form besitzen. Gemäß einer Ausführungsform verlaufen sie am Umfang, z. B. in Form seitlich vorstehender Scheiben, die in der Längsrichtung in Abständen voneinander an dem röhrenförmigen Glied sitzen.

Gemäß einer anderen Anordnung verlaufen die Rippen in der Längsrichtung, während gemäß einer weiteren Ausbildungsform sie schraubenförmig um das Rohr herumlaufen.

Es ist zu beachten, daß solche Elemente im Hinblick auf den Temperaturgradienten zweckmäßigerweise als dünnwandige Rohre ausgebildet werden, so daß beim Durchgang der Wärme durch das Uran eine verhältnismäßig kleine Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche und dem Innern des Elements vorliegt, während gleichzeitig eine große äußere Oberfläche gegeben ist, durch welche die Wärme in das Kühlgas tritt. Dies ermöglicht die Einhaltung eines höheren Wertes der Oberflächentemperatur während des Be-

trie1«s des Reaktors, als· es der Fall sein würde, wenn das Uran in Form eines vollem Stabes vorläge. Gleichzeitig ist zu beachten, daß, abgesehen von dem"Pali, wo die Neutronen sich unmittelbar senkrecht zur Längsachse des röhrenförmigen Elements bewegen, ein verhältnismäßig langer Uranweg den Neutronen geboten wird, bis diese das Element verlassen oder, aus einem anderen Element kommend, in das Element eindringen. Dies ergibt eine größere Wahrscheinlichkeit hinsichtlich der Kollisionen zwischen den. freigesetzten Neutronen und den Urankernen, was dazu führt, daß mehr Neutronen als sonst freigesetzt werden. Überdies ergeben die erfindungsgemäßen An^- ordnungen niedrigere Werte der Oberflächenkomponente der Resonanzabsorption von Neutronen. Dies ist der Fall, weil Neutronen, die unter spitzem Winkel zur Längsachse des Elements auftreffen, normalerweise durch mehrere Rippen gehen müssen und weil die Neutronen bei Resonanzenergie durch die Rippen absorbiert werden, durch welche sie bei höherer Energie hindurchgehen,, so daß andere Neutronen, die die einspringenden Flächen erreichen, nur verhältnismäßig selten Resonanzenergie haben werden; sie würden an diesen Flächen absorbiert werden. Überdies erhöhen die Rippen die Turbulenz des Kühlmittels und tragen insofern zur Abfuhr von Wärme aus den Spaltelementen bei.

In den Zeichnungen ist der Erfmdungsgegenstand beispielsweise und schematise!! veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt und eine Außenansicht eines erfindungsgemäß gestalteten Spaltstoffelements;

Fig. 2 ist ein Querschnitt nach Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 3 zeigt teilweise im Längsschnitt, teilweise in Ansicht, insbesondere in Außenansicht, eine abgeänderte Ausführungsform, eines Spaltstoffelements;

Fig. 4 ist ein Querschnitt nach Linie VI-VI in Fig. 3;

Fig. 5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines solchen Elements;

Fig. 6 ist ein Querschnitt nach Linie VIII-VIII in Fig. 5.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung besteht aus einem rohrförmigen Urankörper 1, der mit einer Anzahl radial gerichteter Rippen 2 versehen ist. Derartige Urankörper sind in einem Moderatormaterial, z. B. in einen Graphitblock 3, eingebaut. In der dargestellten Ausführungsform sind die Rippen 2 in einem Stück mit dem Rohrkörper 1 hergestellt. In an¹-derer Ausführungsform können die Rippen auch eigens hergestellt und an das zentrale Rohr 1 angepreßt werden. In jedem Falle bestehen sie zweckmäßig aus demselben Material, wobei der Gesamtkörper mit einem Schutzüberzug, ζ. Β. aus Aluminium, versehen werden kann.

Wie aus der Darstellung hervorgeht, befinden sich die Umfange der Rippen in einem gewissen Abstand von der Wandung des durch die Moderatoreinheit 3 führenden Kanals. Die Elemente können zweckmäßig in beliebiger Weise an der Kanalwandung abgestützt und durch Zwischenglieder, welche den Durchfluß des Kühlmittels nicht wesentlich stören, z. B. durch Bänder, Schellen u. dgl,., an dieselbe angeschlossen werden.

Gemäß der in Fig. 3 und 4 gezeigten Anordnung sind die quer stehenden Rippen 2 durch zwei schraubenlinienförmig verlaufende Rippen 4 ersetzt, die nach Art eines zweigängigen Gewindes das Rohr 1 umlaufen.

Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere abgeänderte Ausführungsform, gemäß welcher die Rippen 5 sich in der Längsrichtung des Durchgangs durch den Graphitblock erstrecken. In diesem Falle braucht es nicht erforderlich zu sein, einen Spielraum zwischen den Peripherien der Rippen und: der Innenwandung des Durchgangs zu halten, da die Räume zwischen den Rippen genügenden Querschnitt für den Durchfluß des Kühlgases besitzen. Die Rippen können in diesem Falle also die Wandung des Durchgangs unmittelbar berühren, oder sie können in ein Graphitrohr eingeschlossen sein, das herausnehmbar ki den- Reaktor eingesetzt ist.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Rohrförmiges Spaltstoffelement zum Einsetzen in einem Kühlkanal eines Kernreaktors, durch welchen ein Kühlgas fließt und in dem die Spaltstoffelemente übereinandergestapelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Elemente aus spaltbarem Material mit nach außen ragenden Rippen oder Flossen, welche aus demselben spaltbaren Material bestehen, ausgebildet sind, wobei die Rippen in einem Stück mit dem Rohrkörper gefertigt oder mit demselben fest verbunden sein können.

2. Spaltstoffeliement für Kernreaktoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das rohrförmige Glied umgebenden Rippen ringartig gestaltet sind.

3. Spaltstoffelement für Kernreaktoren nach, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen das rohrförmige Glied schraubenförmig umgeben.

4. Spaltstoffelement für Kernreaktoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen in der Längsrichtung des rohrförmigen Gliedes verlaufen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 754183, insbesondere S. 3;

Zeitschrift »Nucleoncs«, 14, Nr. 4, S. 14, 1956.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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