DE1082991B

DE1082991B - Spaltmaterialpatrone fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1082991B
Application number: DEC19128A
Authority: DE
Inventors: Maurice Avramito; Rene Cebelieu
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1958-06-05
Filing date: 1959-06-04
Publication date: 1960-06-09
Also published as: LU37258A1; BE579201A; FR1200408A; US3152964A; GB920256A; CH355228A

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

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

Maurice Avramito und Rene Cebelieu, Paris,
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 T_e 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

Kanals konstant, und die Hüllentemperatur T_g 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

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

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

trittstemperatur des Gases bezeichnet, erhält man die Erfindung notwendigen Teile dargestellt.
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,

* \T_a —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 T_e und der gleichen höchsten Schutz- 35 Da die Rippen 5 dünn sind, ist der Durchtrittshüllentemperatur T_g 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 — T_s 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 T_n liegt oder je größer die Erwärmung (T₆ —■ T_e) 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.

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

P A T E N T A N S P R 0 C H E:

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