DE1042776B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennstoffelement in Form eines länglichen Körpers aus spaltbarem Material, der von einer Schutzhülse umgeben ist.

Ein Problem beim Aufbau eines Schnellreaktors besteht darin, die Brennstoffelemente über ihre ganze Länge in einheitlichem Abstand zu halten. Die Biegung oder Durchbiegung der Brennstoffelemente muß auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, damit die Kühlmitteldurchlässe zwischen den äußeren Hüllen aneinandergrenzender Brennstoffelemente nicht kleiner werden und somit örtliche heiße Stellen vermieden werden. Derartige überhitzte Stellen führen bekanntlich zur explosionsartigen Zerstörung der Hülle.

Das Kernreaktor-Brennstoffelement gemäß der Erfindung besitzt eine Reihe mit im Abstand auf der Hülle hintereinander angeordneter Bänder, von denen jedes einem Satz von in regelmäßigem Abstand angeordneten schraubenförmigen Rippen aufweist, die sich in jedem Band in nahezu gleicher Richtung erstrecken.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffelement soll nunmehr an Hand der Zeichnung beschrieben werden, und zwar zeigen die

Fig. 1A, 1B und 1 C im Schnitt die aufeinanderfolgenden Abschnitte des Brennstoffelements: Fig. 1A das obere Ende, Fig. 1B den Mittelabschnitt und Fig. 1 C das untere Ende,

Fig. 2 perspektivisch einen Teil von zwei aneinandergrenzenden Brennstoffelementen und

Fig. 3 ein abgewickeltes Band mit Rippen.

Das Brennstoffelement weist angereicherten Uranbrennstoff 10 (Fig. 1 B) in Rohrform, eine innere Vanadiumhülle 11 und eine äußere Hülle 12 aus Niobium auf. Der Brennstoff 10 ist zwischen zwei Molybdän-Unterlagsscheiben 13 enthalten. Die äußere Hülle 12 hat Bänder 43 mit integrierenden schraubenförmigen Rippen 44, die konische Enden 47 aufweisen. Die Bänder 43 sind in Abständen entlang des Teiles der äußeren Hülle 12 angeordnet, der den Uranbrennstoff 10 zwischen den Molybdän-Unterlagsscheiben 13 bedeckt. Die Rippen 44 erstrecken sich alle in nahezu gleicher Richtung, so daß die Kühlmittelkanäle 45 (Fig. 2), die durch benachbarte Rippenpaare 44 in jedem Band 43 gebildet werden, sich in den durch die benachbarten Rippenpaare in allen anderen Bändern 43 gebildeten Kanälen fortsetzen. Der Winkel 46 der Spirale (Fig. 3) und die Länge der Bänder 43 sind so eingerichtet, daß jede Rippe 44 (Fig. 2) Kontakt mit zwei Rippen 44 α einer angrenzenden Brennstoffelementhülle 12 α (Fig. 2) hat. Das angrenzende Brennstoffelement ist in Fig. 2 mit gestrichelter Linie und der Klarheit halber nur mit zwei Rippen dargestellt.

Bei der Herstellung der äußeren Hülle 12 führt man die Längsrippung für die ganze Hülle unter Verwen-

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen (Westf.), Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 12. Juli 1956

Frank Butter und John Tatlock, London,
sind als Erfinder genannt worden

dung eines Preßgesenkes aus. Der Hülle wird dann die nötige Windung gegeben, und dann wird die unerwünschte Rippung maschinell beseitigt.

Ober- und unterhalb der Unterlagsscheiben 13 befinden sich Brutrohre 14 aus natürlichem Uran. Ein freier Raum 15 (Fig. 1 A) besteht oberhalb des oberen Brutrohres 14. Das untere Brutrohr 14 ruht auf einem Dichtungsrohr 16 aus natürlichem Uran (Fig. IC). Das Dichtungsrohr 16 wird auf einem Niobium-Endbolzen 17 gehalten, der in eine Fußendarmatur 18 aus nichtrostendem Stahl geschraubt ist. Die Niobiumhülle 12 ist bei 19 an den Bolzen 17 Argon-Lichtbogengeschweißt. Die Vanadiumhülle 11 lagert auf der Endarmatur 18. Über einen Kreisring 20, Stutzen 21 und verstöpselbares Loch 22 wird das Brennstoffelement mit flüssigem metallischem Natrium gefüllt, um die Wärmeübertragung vom Brennstoff nach den Hüllen 11 und 12 zu verbessern. Die Endarmatur 18 weist eine Bohrung 23 auf, die der der Hülle 11 gleich ist, eine Schrägung 24 und drei symmetrisch angeordnete gewalzte bzw. geschliffene Flächen 25. Eine Platte 26 mit einer Bohrung 42 dient zur Unterbringung des unteren Endes des Brennstoffelementes.

Am oberen Ende des Brennstoffelementes befindet sich ein Niobium-Endbolzen 27 (Fig. 1 A), der längs der Linie 28 an die Hülle 12 Argon-Lichtbogen-geschweißt ist. Der Bolzen 27 ist mit einer am oberen Ende befindlichen Armatur 29 aus nichtrostendem Stahl verschraubt. Über einen Kreisring 30, Stutzen 31 und offene Löcher 32 kann flüssiges metallisches Natrium dem Brennstoffelement zu- und abgeführt werden. Mit Schraubgewinde versehene Löcher 33 sind in beiden

&09 677/312

Endarmaturen 18 und 29 für einen Verschluß durch Madenschrauben vorgesehen. Ein Unterschnitteil 38 liefert eine Vorrichtung zum Einführen eines Entnahmewerkzeuges, um das Element - von· der Bodenplatte zurückzuziehen. Vier- Löcher 39 sind für die Kühlmittelzuführung nach der Außenseite des Rohres vorgesehen. Das Kühlmittel tritt am Mundstück 40 in die am oberen Ende befindliche Armatur 29 ein und teilt sich am Ende einer Bohrung 41 in der Armatur 29: ein Teil des Kühlmittels geht durch die Löcher 39 und kühlt die Hülle 12, und der andere Teil bewegt sich an der Hülle 11 abwärts. Am unteren Ende des Brennstoffelements fließt das Kühlmittel, durch die Bohrungen 23 und 42 ab.

Beim Zusammensetzen des Brennstoffelementes wird zunächst die äußere Hülle 12 mit dem unteren Bolzen 17 verschweißt. In die äußere Hülle 12 werden dann das Dichtungsrohr 16, die Brutrohre 14, das Brennstoffrohr 10 und die Molybdän-Unterlagsscheiben 13 in der richtigen Reihenfolge eingeführt. Das andere Ende der Hülle 12 wird mit dem Endbolzen 27 verschweißt. Dann wird das innere Rohr 11 befestigt und die Endarmaturen 18 und 29 mit den Bolzen 17 bzw. 27 verschraubt. Das Brennstoffelement wird dann mit Argon gereinigt und metallisches Natrium bei den Löchern 22 eingeführt, die nach beendigtem Füllen abgedichtet werden. Die Löcher 32 bleiben offen.

In einem typischen Brennstoffelement hat der Brennstoffraum 10 eine Länge von 533,4 mm, jedes der vier Bänder 43 ist 50,8 mm lang und mit je sechs Spiralrippen 44 versehen. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der inneren beiden Bänder 43 ist 114,3 mm, der Abstand zwischen den Mittelpunkten der äußeren beiden Bänder 43 495,3 mm. Der Spiralwinkel 46 beträgt 70°. Der äußere Durchmesser der Hülle 12 beträgt 19,05 mm, die Rippen 44 sind 1,02 mm breit und 0,86 mm tief.

Die Wahl des Spiralwinkels wird von zwei gegeneinandergehenden Erwägungen beherrscht. Einerseits wird ein kleiner Spiralwinkel bestrebt sein, den Druckabfall über die Bänder 43 zu steigern, während ein sehr großer Spiralwinkel den Kontakt mit Rippen angrenzender Brennstoffelemente ungleichmäßig machen bzw, lange Bänder erfordern wird, um ausreichenden Kontakt herzustellen. Der oben angegebene Winkel von 70° stellt nahezu ein Optimum in einem bevorzugten Bereich- von 60 bis 80° dar.

Bei der Bestimmung der Anzahl und der Anordnung der Bänder 43 auf der äußeren Hülle 12 müssen der Druckabfall über die Bänder 43 und die höchste sichere Wärmeübertragung mit einer Sollbiegungsgrenze beachtet werden. Optimale Bedingungen sind offensichtlich mit vier Bändern 43 in erwähnter Abstandsbemessung erreicht.

Die Anordnung der Spiralrippen in Bändern erleichtert die Entladung der Brennstoffelemente sehr im Vergleich zu Brennstoffelementen, die über die gesamte Länge des Elementes verteilte Rippen aufweisen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement in Form eines länglichen Körpers aus spaltbarem Material, der von einer Schutzhülle umgeben ist, gekennzeichnet durch eine Reihe mit im Abstand auf der Hülle hintereinander angeordneter Bänder, von denen jedes einen Satz von in regelmäßigem Abstand angeordneten schraubenförmigen Rippen aufweist, die sich in jedem Band in nahezu gleicher Richtung erstrecken.

2. Kernreaktor-Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von Bändern symmetrisch zur Mittelachse des spaltbaren Werkstoffes angeordnet ist.

3. Kernreaktor-Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier Bänder vorgesehen sind, von denen die beiden inneren dicht beieinander liegen, während die beiden äußeren mit Abstand nahe dem Ende des Längskörpers angeordnet sind.

4. Kernreaktor-Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralwinkel der Rippen 60 bis 80° beträgt.

5. Kernreaktor-Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen an ihren Enden konisch an die Hülle des Brennstoffelementes angepaßt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 309· 677/312 10.58