DE1041178B - Brennstoffelement fuer Kernreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffelemente für Kernreaktoren.

Es sind bereits Brennstoffelemente für Kernreaktoren bekanntgeworden, welche aus einer Vielzahl von dünnen Uranblechlagen bestehen. Die Uranblechlagen sind dabei derart voneinander beabstandet, daß zwischen ihnen Strömungskanäle für das Reaktorkühlmittel bestehen und ein guter Wärmeübergang von dem Brennstoff auf das Kühlmittel gewährleistet ist.

Bei den bekannten Brennstoffelementen sind die dünnen Uranblechlagen in Form einzelner zueinander paralleler Streifen angeordnet, welche durch Verbindungselemente in gegenseitigem Abstand gehalten sind. Die einzelnen Streifen bestehen aus Uranblechen, weiche durch dünne Metallüberzüge bedeckt sind.

Erfindungsgemäß sind nun die einzelnen Uranblechlagen zusammenhängend aus einem einzigen, der Anordnung der Lagen entsprechend gebogenen Blech hergestellt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Brennstoffelemente bringt gegenüber den bekannten Ausführungsformen einen erheblichen fertigungstechnischen Vorteil. Nach einer Ausführungsform sind die einzelnen Lagen aus einem spiralförmig gebogenen Blech hergestellt. Bei dieser Ausführungsform können die einzelnen Umläufe der Spirale durch Stangen voneinander im Abstand gehalten werden, welche in Achsrichtung der Spirale verlaufen und in eben dieser Richtung laufende Kühlmittelkanäle bilden.

Zweckmäßig ist in einem rohrförmigen Gehäuse eine Vielzahl von Brennstoffelementeinheiten Ende an Ende angeordnet. Das rohrförmig« Gehäuse ist dabei so ausgebildet, daß es in einen Reaktorkern eingesetzt und aus diesem entnommen werden kann.

Wenn das Brennstoffelement aus mehreren Brennstoffelementeinheiten zusammengesetzt ist, so sind die Brennstoffelementeinheiten vorzugsweise mit axial überstehenden Anschlägen ausgerüstet, welche innerhalb des rohrförmigen Gehäuses aneinander anstoßen, daß die Enden der spiralförmig gebogenen Bleche in axialer Richtung voneinander Abstand haben.

Vorzugsweise sind die äußeren Schichten der Brennstoffelementeinheiten von der Wand des rohrförmigen Gehäuses beabstandet, derart, daß das Kühlmittel auch an der Außenseite der Brennstoffelementeinheiten entlang strömen kann.

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es stellen dar:

Fig. 1 eine Brennstoffelementeinheit,

Fig. 2 ein Brennstoffelement in einem Reaktor, Fig. 3 einen Schnitt durch eine Brennstoffelementeinheit,

Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer Brennstoffschicht.

Brennstoffelement für Kernreaktor

Anmelder:

Rolls-Royce Limited,

Derby (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 8. Dezember 1955

und 23. November 1956

John Shaw Hollings, Derby (Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

Das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf Brennstoffelemente für graphitmoderierte, heliumgekühlte Reaktoren.

Der Reaktor besteht z. B. aus einem Graphitkern mit einer Vielzahl von parallel verlaufenden Bohrungen, die für die Aufnahme der Brennstoffelemente bestimmt sind; diese Bohrungen sind in Form eines Dreieckgitters angeordnet. Die Bohrungen münden mit ihrem einen Ende in eine Kühlgasvorratskammer und mit ihrem anderen Ende in eine Gasaustrittskammer. Der Kernreaktor umfaßt ferner einen den Kern umgebenden Graphitreflektor sowie Regelelemente, die in dem Reflektor verstellbar sind und die Steuerung des Reaktorbetriebes gestatten.

Jede Bohrung ist so lang, daß ein Brennstoffelement zwischen spiralförmigen Graphitelementen an ihren Enden untergebracht werden kann; die spiralförmigen Graphitelemente, die einen Teil des Reflektors bilden, verhindern Neutronenaustritt, gestatten aber gleichzeitig den Durchgang der Kühlgase.

Fig. 2 zeigt ein Brennstoffelement. Dieses Brennstoffelement umfaßt ein offenes, zylindrisches, rohrförmiges Metallgehäuse 10 und eine Vielzahl von (etwa acht) Brennstoffelementeinheiten, die hintereinandergereiht sind. Die Länge des rohrförmigen Gehäuses 10 ist etwas größer als die Gesamtlänge der

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Brennstoffelementeinheiten 11; das Gehäuse ist an den Stellen, an denen die Enden der Brennstoffelementeinheiten liegen, ringsum mit inneren Rippen 12 versehen, welche die Brennstoffelementeinheiten an Ort und Stelle halten. In den Abschnitten des Gehäuses 10 über den Rippen 12 sind Eingriffsbohrungen 13 für eine Brennstoffelemententnahmevorrichtung vorgesehen.

Die Brennstoffelementeinheiten sind aus Metallblech gefertigt (s. Fig. 4i; das Innere dieses Metallbleches besteht aus einer Kernschicht 14 von angereichertem Uran. Ein Überzug 15 aus Aluminium-, Stahl-, Beryllium-, Niobium- oder einer Zirkoniumlegierung od. dgl. ist beidseitig auf dieser Kernschicht aufgetragen. Auch die Ränder der Uranschicht bestehen aus solchem Überzugsmaterial. Der Überzug 15 verhindert, daß Spaltprodukte in das Kühlgas gelangen. Das Blech ist z. B. 0,558 mm dick, einschließlich der Stärke des Überzugs von 0,076 mm.

An dem einen Rand des Bleches ist eine Stange 16 aus nicht spaltbarem Materia! befestigt; an dem gegenüberliegenden Rand ist ein Flansch 17 a festgemacht. Dieser Flansch 17 a ist ein Teil einer dünnen, keilförmigen Platte 17 aus nicht spaltbarem Material und bildet die Verlängerung dieser keilförmigen Platte auf deren verstärkter Seite.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, ist das Blech zu einer Spirale gewickelt, deren Kern die Stange 16 bildet; die keilförmige Platte 17 bildet eine Verlängerung der äußeren Oberfläche der letzten Wicklung oder Lage 18 der Spirale. Die Abstandhalterstangen 19 aus nicht spaltbarem Material sind zwischen den Wicklungen oder Lagen 18 so befestigt, daß sie diese in einem Abstand von etwa 1,587 mm voneinander halten. Auch auf den Außenflächen der äußersten Wicklung oder Lage sind mehrere Stangen 20 befestigt. Die Stangen 16, 19, 20 verlaufen parallel zu der Achse der Spirale. Die Zwischenräume, durch die das Kühlgas hindurchtritt, haben in der ganzen Spirale gleiche Weite.

Die Kernstange 16, die Stangen 20 auf der Oberfläche der äußersten Wicklung und die keilförmige Platte 17 ragen über beide Stirnflächen des Wickels heraus; die keilförmige Platte 17 besitzt an einem Ende eine Kerbe 21 und am anderen Ende eine Zunge 22. Die Brennstoffelementeinheiten 11 sind in das rohrförmige Gehäuse 10 mit gleicher Winkelstellung eingesetzt; die Zunge 22 einer Brennstoffelementeinheit greift in die Kerbe 21 der nächsten Brennstoffelementeinheit ein. Die Wickel der Brennstoffelement- einheiten 11 haben innerhalb des rohrförmigen Gehäuses voneinander axialen Abstand, da die vorstehenden Teile der Stangen 16, 20 und der Keilplatte 17 zweier benachbarter Einheiten aneinanderstoßen.

Bei Betrieb strömt das Kühlgas axial durch die Zwischenräume zwischen den Lagen 18 der Brennstoffelementeinheiten 11 eines Brennstoffelements. Auch die Zwischenräume zwischen den Außenflächen der Brennstoffelementeinheiten 11 und der Innenfläche des rohrförmigen Gehäuses 10 werden von Gas durchströmt, so daß eine gute Wärmeübertragung von den Brennstoffelementeinheiten 11 auf das Kühlgas stattfinden kann.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffelemente sind \^rerhältnismäßig leicht herzustellen und haben eine für ihr Gewicht große Wärmeaustauschoberfläche.

Darüber hinaus ist der Wärmeübergang von dem Brennstoff nach dem Kühlmittel ein sehr hoher, da die Wärme in dem dünnen, spiralförmig gewundenen Blech erzeugt wird.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement für Kernreaktoren, bestehend aus einer Vielzahl von dünnen Uranblechlagen, welche derart voneinander beabstandet sind, daß zwischen ihnen Strömungskanäle für das Reaktorkühlmittel bestehen und ein guter Wärmeübergang von dem Brennstoff auf das Kühlmittel gewährleistet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Uranblechlagen zusammenhängend aus einem einzigen, der Anordnung der Lagen entsprechend gebogenen Blech hergestellt sind.

2. Brennstoffelement für Kernreaktoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lagen aus einem spiralförmig gebogenen Blech hergestellt sind.

3. Brennstoffelement für Kernreaktoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Umläufe der Spirale durch Stangen voneinander im Abstand gehalten sind, welche in Achsrichtung der Spirale verlaufen und in eben dieser Richtung laufende Kühlmittelkanäle bilden.

4. Brennstoffelement für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß in einem rohrförmigen Gehäuse eine Vielzahl von Brennstoffelementeinheiten nach Anspruch 1 bis 3 Ende an Ende angeordnet sind und daß dieses Gehäuse für die Einsetzung und die Entnahme aus einem Reaktorkern geeignet ist.

5. Brennstoffelement für Kernreaktoren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Brennstoffelementeinheiten mit axial überstehenden Anschlägen ausgerüstet sind, welche innerhalb des rohrförmigen Gehäuses aneinander anstoßen, derart, daß die Enden der spiralförmig gebogenen Bleche in axialer Richtung voneinander Abstand haben.

6. Brennstoffelement für Kernreaktoren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Schichten der Brennstoffelementeinheiten von der Wand des rohrförmigen Gehäuses beabstandet sind, derart, daß das Kühlmittel auch an der Außenseite der Brennstoffelementeinheiten entlang strömen kann.

In Betracht gezogene Druckschriften: Glasstone: »Principles of Nuclear Reactor Engineering«, 1956, S. 763 bis 765; »Reactor Handbook, Materials«, 1956, S. 402.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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