DE1082991B - Spaltmaterialpatrone fuer Kernreaktoren - Google Patents
Spaltmaterialpatrone fuer KernreaktorenInfo
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Description
DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft Patronen aus Spaltmaterial für Kernreaktoren mit das Spaltmaterial enthaltenden
Schutzhüllen, deren Wände von einem Kühlmittel umspült werden.
Die Erfindung bezweckt insbesondere, die Ausnutzung der Wärmeaustauschfläche der Schutzhüllen zu verbessern.
Gemäß der Erfindung ändert sich der Querumfang der Schutzhülle kontinuierlich oder diskontinuierlich
längs der Patrone so, daß während des Reaktorbetriebes die Temperatur der Schutzhülle an jedem ihrer Punkte
in der Nähe des zulässigen Höchstwertes bleibt.
Es sei zunächst daran erinnert, daß bei den durch einen Strömungsmittelumlauf gekühlten Kernreaktoren die
Abfuhr der von den Patronen entwickelten Wärme große Austauschflächen erfordert, da der Wärmeübergangskoeffizient
zwischen dem Kühlmittel und der Wand verhältnismäßig klein ist.
Dies hat zur Folge, daß die Masse der Schutzhüllen der Brennstoffelemente groß ist und einen wesentlichen
Teil der innerhalb des Reaktors liegende Neutronen absorbierenden Masse bildet. Dieser Nachteil ist besonders
bei einem mit hoher Temperatur arbeitenden Reaktor fühlbar, da dann die Werkstoffwahl sehr beschränkt
ist und die Schutzhüllen im allgemeinen stark absorbieren.
Die Wärmeaustauschflächen müssen daher möglichst gut ausgenutzt werden.
Bei den üblichen Anordnungen, wo das Profil der Schutzhülle und des Kanals sich längs des Kanals nicht
ändern, ist die Temperatur der Schutzhülle längs der- " selben verschieden groß, und der Wärmeaustauschkoeffizient
zwischen der Schutzhülle und dem Kühlmittel kann nicht an allen ihren Punkten den optimalen Wert
haben.
Um der Temperatur an jeder Stelle der Schutzhülle einen in der Nähe des zulässigen Höchstwerts liegenden
Wert zu geben, ist bereits vorgeschlagen worden, den Querschnitt des die Hülle umgebenden Kanals längs
desselben zu verändern; diese Lösung stellt jedoch schwierige Aufgaben, insbesondere hinsichtlich des Aufbaus
des Moderators.
Um diesen verschiedenen Nachteilen abzuhelfen, wird erfindungsgemäß der Umfang der Schutzhülle der
Patrone, d. h. ihre Wärmeaustauschfläche, längs der Patrone verändert.
Bekanntlich kann der von einer Brennstoffpatrone an jedem ihrer Punkte gelieferte Wärmefluß in Abhängigkeit
von der Abszisse χ dieses Punkts längs des Kanals durch
ein sinusförmiges Gesetz f (x) ausgedrückt werden, welches nur von der Größe des Neutronenflusses abhängt.
In einem Querschnitt des Kanals mit der Abszisse χ
•J rp
kann die Erhöhung — der Temperatur T des Kühl-Spaltmaterialpatrone
für Kernreaktoren
Anmelder:
Commissariat ä !'Energie Atomique,
Paris
Paris
Vertreter: Dr. phil. W. P. Radt
und Dipl.-Ing. E. E. Finkener, Patentanwälte,
Bochum, Heinrich-König-Str. 12
Beanspruchte Priorität:
Frankreich, vom 5. Juni 1958
Frankreich, vom 5. Juni 1958
Maurice Avramito und Rene Cebelieu, Paris,
sind als Erfinder genannt worden
sind als Erfinder genannt worden
mittels mit der Energiezufuhr des Brennstoffelements durch folgende Gleichung in Beziehung gesetzt werden:
dT
dx
df (χ)
C„Q dx
in welcher C3, die spezifische Wärme des Kühlmittels
bei konstantem Druck und Q die Strömungsmenge des Kühlmittels bezeichnet. Dies ergibt
T(X) =
worin Te die Temperatur des Kühlmittels am Eingang
des Kanals ist.
Bei Anwendung der Gesetze der Wärmeleitung kann noch folgende Gleichung angeschrieben werden:
dx
In dieser Gleichung bedeutet β den Wärmeaustauschumfang
des betreffenden Querschnitts, s den Durchtrittsquerschnitt des Kühlmittels, T1, die Temperatur
der Hülle und K die bisweilen Stanton-Zahl genannte Margoulis-Zahl (diese Zahl ist gleich dem Verhältnis -^r,
in welchem α der Konvektionskoeffizient ist).
009 529/225
3 4
Aus diesen verschiedenen Gleichungen ergibt sich Fig. 1 und 2 zeigen in einem Längsschnitt längs der
Linie I-I der Fig. 2 bzw. im Querschnitt längs der
s d f 1 Linie II-II der Fig. 1 eine erfindungsgemäße volle Patrone
f W = ~k '77' r η(T — T\—fM ' (4) mitradialen Rippen;
-n- «■* ^y ^j, ^; /W 5 Fig. 3 bis 6 zeigen im Längsschnitt bzw. im Querschnitt
längs der Linie IV-IV bzw. V-V und VI-VI der Fig. 3
In dem allgemeinen Fall der bisher ausgeführten eine andere erfindungsgemäße volle Patrone;
Reaktoren ist der Wärmeaustauschumfang p längs des Fig. 7 und 8 zeigen im Längsschnitt längs der Linie
Reaktoren ist der Wärmeaustauschumfang p längs des Fig. 7 und 8 zeigen im Längsschnitt längs der Linie
Kanals konstant, und die Hüllentemperatur Tg ist VII-VII der Fig. 8 bzw. im Querschnitt längs der Linie
veränderlich. io VIII-VIII der Fig. 7 eine erfindungsgemäße hohle
Erfindungsgemäß wird nun die Hüllentemperatur T9 Patrone;
konstant und auf dem höchsten zulässigen Wert gehalten, Fig. 9 zeigt schaubildlich eine erfindungsgemäße
während der Austauschumfangp längs des Kanals Patrone aus Platten;
gemäß dem obigen Gesetz (4) veränderlich ist. Fig. 10 zeigt in einer schematischen Seitenansicht
gemäß dem obigen Gesetz (4) veränderlich ist. Fig. 10 zeigt in einer schematischen Seitenansicht
Der Durchtrittsquerschnitts kann gleichzeitig mit 15 eine erfindungsgemäße Mehrfachpatrone in Form eines
dem Umfang ^»veränderlich sein; gemäß einer bevorzugten Bündels aus Elementarpatronen mit veränderlichem
Lösung wird j edoch der Durchtrittsquerschnitt s konstant Umfang;
gehalten, und es wird nur der Austauschumfang verändert. Fig. 11 und 12 zeigen Patronen aus in dem Kanal
gehalten, und es wird nur der Austauschumfang verändert. Fig. 11 und 12 zeigen Patronen aus in dem Kanal
In diesem letzteren Fall kann die gesamte Wärme- axial hintereinander angeordneten Elementen, deren
austauschfläche E eines Kanals leicht durch die Rechnung 20 Umfange erfindungsgemäß veränderlich sind,
bestimmt werden. Wenn man nämlich mit T8 die Aus- In den Figuren sind nur die für das Verständnis der
bestimmt werden. Wenn man nämlich mit T8 die Aus- In den Figuren sind nur die für das Verständnis der
trittstemperatur des Gases bezeichnet, erhält man die Erfindung notwendigen Teile dargestellt.
Beziehung Fig. 1 und 2 zeigen einen in einem festen Moderator 2
Beziehung Fig. 1 und 2 zeigen einen in einem festen Moderator 2
s ,T T \ eines Kernreaktors ausgebildeten zylindrischen Kanal 1.
E = —log I— -J. (5) 25 In diesem Kanal ist eine einzige Patrone untergebracht,
* \Ta —T8) welche aus einer Schutzhülle besteht, die das Spalt
material 3 umschließt.
Diese Beziehung zeigt, daß die gesamte Austausch- Die Schutzhülle besteht aus einem mit radialen Rippen 5
fläche E nicht von der Form des Wärmeflusses f (x) versehenen Metallrohr 4. Die Höhe (oder radiale Ababhängt.
Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt 30 messung) dieser Rippen ist längs des Kanals 1 so verkann
zahlenmäßig dadurch ausgedrückt werden, daß änderlich, daß der Wert des (in Fig. 2 stark ausgezogenen)
diese Oberfläche E mit der gesamten Austauschfläche E0 Umfangs der Wärmeaustauschfläche wenigstens anverglichen
wird, welche bei der üblichen Ausbildung mit genähert dem durch die obige Formel (4) angegebenen
konstantem Profil erforderlich wäre, um bei der gleichen entspricht.
Eintrittstemperatur Te und der gleichen höchsten Schutz- 35 Da die Rippen 5 dünn sind, ist der Durchtrittshüllentemperatur
Tg die gleiche Austrittstemperatur des querschnitt des in der Pfeilrichtung strömenden Kühl-Gases
zu erhalten. mittels praktisch konstant.
Dieser Vergleich kann entweder bei gleichen Durch- Fig. 3 bis 6 zeigen ebenfalls einen in dem Moderator 2
trittsquerschnitten s oder bei gleichen Druckverlusten ausgebildeten Kanal 1, welcher eine einzige Patrone
erfolgen. In den beiden Fällen zeigt jedoch die Rechnung, 40 enthält.
JDJ τγ -u-u. · E t 1 j π χ Die Schutzhülle wird durch ein Gehäuse gebildet,
daß das Verhältnis -=- von folgendem Parameter , , . , TT .„ . , T.. ... b ,..,
E0 ° dessen scheinbarer Umriß m der Längsrichtung ungefähr
die Form von zwei Kegelstümpfen entgegengesetzter
a Tg — Ts Konvergenz hat, welche miteinander durch ihre große
T χ 45 Grundseite verbunden sind, wobei die Konvergenz des
vorderen Kegelstumpfs kleiner und seine Höhe größer als die des hinteren Kegelstumpfs sind.
abhängt und bei einer Abnahme von A abnimmt. In- Die Wand des Gehäuses weist in abwechselnder Folge
folgedessen ist die Verkleinerung der Austauschfläche E in der Längsrichtung liegende Rippen 6 und Nuten 7
um so größer, je näher die Austrittstemperatur T5 des 50 auf, deren Querabmessungen größer als die Dicke der
Kühlmittels der zulässigen Höchsttemperatur der Schutz- Schutzhülle sind, so daß Spaltmaterial 3 in diesen Rippen
hülle Tn liegt oder je größer die Erwärmung (T6 —■ Te) untergebracht werden kann,
des Kühlmittels in dem Kanal ist. Die Veränderung des Querumfangs in Abhängigkeit
Dies zeigt, daß die Anwendung der Erfindung auf mit von der Abszisse χ folgt praktisch dem obigen Gesetz (4).
hoher Temperatur arbeitende Kernreaktoren besonders 55 Der Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel bleibt
interessant ist. jedoch vorzugsweise konstant, was gestattet, die Brenn-
Die Rechnung zeigt, daß bei gleichem Durchtritts- stoffmasse gleichmäßig längs des Kanals zu verteilen,
querschnitt s die erfindungsgemäße Anordnung gegen- Hierfür braucht nur das Profil der Schutzhülle eine solche
über den bekannten Lösungen eine Verringerung der Form zu erhalten, daß die in Fig. 6 schraffierten, über
Austauschfläche und der Druckverluste in der Größen- 60 den mittleren Kreis c (dessen Durchmesser längs der
Ordnung von 40 % ermöglicht. Bei gleichem Druckabfall ganzen Patrone konstant ist) vorspringenden Querbeträgt
die Verringerung der Austauschfläche größen- flächen α praktisch gleich den ebenfalls in Fig. 6 schrafordnungsmäßig
SO % und die Verringerung des Quer- fierten, innerhalb des Kreises c liegenden Querflächen b
Schnitts ungefähr 20 %. sind. Die Nuten 7 sind daher um so tiefer, und die Rippenö
Die Erfindung ermöglicht daher eine sehr bemerkens- 65 springen um so mehr vor, je größer der entsprechende
werte Ersparnis an Spaltmaterial und an Energie für Umfang ist.
das Durchblasen des Kühlgases und somit am Gestehungs- Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, wird der Querschnitt
preis der Anlage. an dem Vorderende der Patrone durch den mittleren
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf Kreis c begrenzt. In dieser Figur ist das Längsprofil
die Zeichnung beispielshalber erläutert. 70 des Grundes einer Nut 7 strichpunktiert eingezeichnet.
Fig. 7 und 8 zeigen ebenfalls einen in dem Moderator 2 ausgebildeten Kanal 1.
Dieser Kanal enthält eine einzige hohle Patrone.
Die Schutzhülle dieser Patrone wird durch zwei parallele, nahe beieinander liegende wellige Wände 8 und 9 gebildet, zwischen welchen das Spaltmaterial 3 in Form einer dünnen Folie enthalten ist.
Die Schutzhülle dieser Patrone wird durch zwei parallele, nahe beieinander liegende wellige Wände 8 und 9 gebildet, zwischen welchen das Spaltmaterial 3 in Form einer dünnen Folie enthalten ist.
Der Umfang und die Form der Schutzhülle ändern sich
längs des Kanals wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.
Es ist zu bemerken, daß bei dieser Ausführungsform das Kühlmittel nicht zur zwischen dem Kanal und der
Außenfläche der Patrone strömt, sondern auch innerhalb der hohlen Patrone, so daß der dem Kühlmittel dargebotene
Durchtrittsquerschnitt annähernd dem Querschnitt des Kanals entspricht.
Bei dieser Ausbildung kann die Dicke des Spaltmaterials natürlich in Abhängigkeit von der Abszisse so verändert
werden, daß die Brennstoffmasse gleichmäßig über die ganze Länge des Kanals verteilt ist.
Bei der in Fig. 9 dargestellten Patrone befindet sich das Spaltmaterial in dünnen rechteckigen Platten 10
(welche leicht ziegeiförmig gebogen sein können), welche zu parallelen Anordnungen zusammengefaßt sind, welche
hintereinander in dem Kanal angeordnet sind. In Fig. 9 sind sechs derartige Anordnungen hintereinander angeordnet,
welche nacheinander drei, vier, fünf, sechs, fünf und vier durch nicht dargestellte Zwischenstücke miteinander
vereinigte Platten umfassen.
Hierbei entspricht der Wert des Umfangs der Schutzhülle dem durch das Gesetz (4) angegebenen nur für gewisse
Abszissen (wobei dann der betreffende Umfang gleich der Summe der Umfange der entsprechenden
Platten ist). Man kann z. B. annehmen, daß diese Abszissen, welchen richtige Werte der Umfange entsprechen,
die mittleren Abszissen einer jeden Anordnung sind.
Zur Vereinfachung des Aufbaus erhalten vorzugsweise die Platten der verschiedenen aufeinanderfolgenden Anordnungen
in der dargestellten Weise abwechselnd verschiedene Lagen, indem bei einem waagerechten Kanal
die Platten jeder zweiten Anordnung z. B. waagerecht und die der anderen Anordnungen lotrecht liegen, wobei
natürlich alle Platten parallel zu der Richtung des entsprechenden Kanals bleiben müssen.
Die Dicke des in jeder Platte enthaltenen Spaltmaterials kann so bestimmt werden, daß seine Masse gleichmäßig
längs des ganzen Kanals verteilt ist.
In Fig. 10 ist schematisch eine Patrone dargestellt, welche durch ein Bündel von parallelen Elementarpatronen
11 gebildet wird, die alle erfindungsgemäß verdickt sind, z. B. in einer ungefähr bei zwei Drittel
ihrer von dem Vorderende aus gezählten Länge liegenden Zone.
Die Verdickungen dieser Elementarpatronen oder Nadeln 11 können dadurch erhalten werden, daß man
den ganzen Schutzhüllen die Form eines doppelten Kegelstumpfes gibt, wie dargestellt, oder, einfacher, indem
man den an diesen Schutzhüllen angebrachten Rippen veränderliche radiale Abmessungen gibt.
In Fig. 11 und 12 sind schematisch zwei Patronensätze dargestellt, deren jeder dazu bestimmt ist, auf einmal in
den Reaktor eingesetzt und aus diesem herausgezogen zu werden, wobei jede Patrone durch zylindrische Teile 12
oder kegelstumpfförmige Teile 13 gebildet wird, welche voll oder hohl sein können und deren Umfange entsprechend
der von ihnen in dem Kanal eingenommenen Stellung so veränderlich sind, daß sie wenigstens angenähert
die obige Gleichung (4) befriedigen.
Entsprechend der Schräglage der Kanäle und der Art der für die verschiedenen Elemente vorgesehenen Führungsmittel
können diese Elemente gleichachsig zueinander angeordnet sein oder nicht.
Um die Patronen mit veränderlichem Umfang zu halten und zu führen, insbesondere falls die zu ihrer
Aufnahme bestimmten Kanäle waagerecht liegen, können die Patronen mit Rippen konstanter Höhe 14 (Fig. 1)
oder mit Stützen, Führungsstücken usw. versehen werden, welche unmittelbar mit der Innenfläche des Kanals oder
mit in diesem vorgesehenen Führungsschienen oder -rippen zusammenwirken.
In allen Fällen muß das Spaltmaterial gleichmäßig längs des Kanals verteilt werden, wenn die oben für die
Berechnung getroffenen Voraussetzungen erfüllt werden sollen.
Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann natürlich mit einer Veränderung der Wärmeaustauschfläche
längs der Patrone jede andere beliebige Maßnahme zur Verbesserung des Wärmeaustausches kombiniert
werden, z. B. eine Veränderung der Verteilung des Spaltmaterials längs der Patrone, eine Änderung des Querschnitts
des Kanals längs desselben, eine örtliche Veränderung der Dicke oder der thermischen Eigenschaften
der Schutzhülle.
Ebenso kann der Kanal 1, anstatt in einem Moderator vorgesehen zu sein, durch ein einfaches Gehäuse 15 verwirklicht
werden, wie dies bei Kernreaktoren mit schnellen Neutronen üblich ist, wobei dieses Gehäuse mehrere
Patronen oder sogar alle Patronen des Reaktors enthalten kann.
Es ist zu bemerken, daß, da der Querumfang der Patrone an jedem ihrer Punkte in Abhängigkeit von
ihrer axialen Stellung in dem Reaktor bestimmt ist, die gesamte (einstückige oder durch mehrere getrennte
Elemente gebildete) Patrone auf einmal in den Reaktor eingesetzt und auf einmal aus diesem herausgezogen
werden muß. Dies ist kein Nachteil, da alle Stellen der Schutzhülle der zulässigen Höchsttemperatur ausgesetzt
sind, so daß die Ermüdung der Schutzhülle praktisch an allen ihren Punkten die gleiche ist.
Claims (17)
1. Patrone aus Spaltmaterial für Kernreaktoren mit einer das Spaltmaterial enthaltenden Schutzhülle,
deren Wände von einem Kühlmittel umspült werden, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querumfang
der Schutzhülle kontinuierlich oder diskontinuierlich längs der Patrone so ändert, daß während des Reaktorbetriebes
die Temperatur der Schutzhülle an jedem ihrer Punkte in der Nähe des zulässigen Höchstwertes
bleibt.
2. Patrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch ein einstückiges Element
gebildet wird.
3. Patrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch die Vereinigung von mehreren
Elementarpatronen gebildet wird.
4. Patrone nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarpatronen, parallel zueinander
angeordnet, zu einem Bündel zusammengefaßt sind (Fig. 10).
5. Patrone nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarpatronen hintereinander
in Reihe angeordnet sind (Fig. 11, 12).
6. Patrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle durch ein Rohr gebildet
wird, welches mit Rippen versehen ist, deren Höhe sich in der Längsrichtung des Rohres verändert (Fig. 2).
7. Patrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle durch ein Metallgehäuse
(Fig. 3 bis 6) gebildet wird, dessen schein-
barer Längsumriß die Form von zwei Kegelstümpfen entgegengesetzter Konvergenz hat.
8. Patrone nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand des Gehäuses Längsnuten
ausgebildet sind, welche um so tiefer sind, je größer der entsprechende Wärmeaustauschumfang ist.
9. Patrone nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Querschnitt derselben die
außerhalb eines mittleren Kreises (c), dessen Durchmesser längs der ganzen Patrone konstant ist, vorspringende
Patronenfläche praktisch gleich der innerhalb dieses Kreises liegenden Fläche ist.
10. Patrone nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle durch eine gewellte
doppelte Wand gebildet wird, in welcher das Spaltmaterial untergebracht ist, wobei diese Anordnung
einen Hohlkörper bildet, außerhalb und innerhalb dessen das Kühlmittel strömen kann (Fig. 8).
11. Patrone nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elementarpatrone durch eine ortlieh
verdickte Nadel gebildet wird (Fig. 10).
12. Patrone nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elementarpatrone durch eine
Gruppe von parallelen Platten gebildet wird, deren Zahl von einer Gruppe zur anderen veränderlich ist
(Fig. 9).
13. Patrone nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten leicht ziegeiförmig gebogen
sind.
14. Patrone nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten von zwei aufeinanderfolgenden
Elementarpatronen zueinander senkrecht liegen, wobei alle Platten parallel zu der Richtung des Kühlmittelstroms
liegen.
15. Patrone nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elementarpatrone durch ein zylindrisches
volles oder hohles Element gebildet wird.
16. Patrone nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elementarpatrone durch ein kegelstumpfförmiges
volles oder hohles Element gebildet wird.
17. Patrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltmaterial homogen längs der
ganzen Patrone verteilt ist, derart, daß der Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel praktisch längs
der ganzen Patrone konstant bleibt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
©I 009 529/225 5.
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