DE1095958B

DE1095958B - Huelle fuer Kernreaktor-Brennstoffelemente

Info

Publication number: DE1095958B
Application number: DEC20265A
Authority: DE
Inventors: Marc Salesse; Jaques-Andre Stohr
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1958-12-05
Filing date: 1959-11-30
Publication date: 1960-12-29
Also published as: CH370848A; FR77374E; US3212992A; GB956851A; JPS3712350B1; CH364566A; ES253932A1; BE585408A; DE1153465B; BE601261R; FR1218482A; JPS361189B1; NL106058C; LU37990A1; GB895076A; LU39879A1; NL262351A; AT215562B

Description

Um bei Kernreaktoren eine möglichst günstige Energieausnutzung zu erzielen, ist man genötigt, die von den Brennstoffelementen der Reaktoren erzeugte Wärme bei einer möglichst hohen Temperatur von dem Kühlmittel aufnehmen zu lassen.

Man ist infolgedessen bestrebt, gleichzeitig folgendes zu erreichen:

1. eine hohe Temperatur in dem Brennstoff,

2. eine kleine Temperaturdifferenz zwischen dem Brennstoff und dem Kühlmedium.

Die Temperatur in dem Brennstoff darf jedoch einen bestimmten Wert nicht überschreiten, der von der Art des Brennstoffes abhängt und mit einem guten mechanischen Verhalten der Brennstoffhülle vereinbar sein muß.

Man muß infolgedessen zwecks Erhöhung der Wärmeausnutzung die Temperaturdifferenz zwischen dem Brennstoff und dem Kühlmedium oder zwischen der Brennstoffelementhülle und dem Kühlmedium soweit als möglich herabsetzen.

In erster Annäherung ist der Wärmeaustausch zwischen der Hülle und dem Kühlmedium, das die Hülle umspült, durch ein Gesetz der folgenden Form bestimmt:

Hülle für Kernreaktor-Brennstoffelemente

Anmelder:
Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 5. Dezember 1958

Marc Salesse, Gif-sur-Yvette,
und Jaques-Andre Stohr, Bures-sur-Yvette

(Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden

— hA0s oder ΔΘ =

h-s'

In diesen Formeln bedeutet Φ den Wärmefluß, der durch die Oberfläche s der Hülle hindurchgeht, h den Wärmeaustauschkoeffizienten, der von der Art des Kühlmediums, seiner Strömung und von der Art der Hülle abhängt, Δ Θ die Temperaturdifferenz zwischen der Hüllentemperatur und der mittleren Temperatur des Kühlmediums, das einen Kanal durchfließt, in dem sich das zu kühlende Brennstoffelement befindet.

Die Temperaturdifferenz ΔΘ läßt sich durch mehrere bekannte Maßnahmen verkleinern:

. Man sieht an der Oberfläche der Hülle in Längsrichtung verlaufende Kühlrippen oder Kühllamellen vor; diese Kühlrippen vergrößern die Wärmeaustauschfläche, wodurch man eine Verringerung des

Wärmeflusses durch die Einheit der Oberfläche |—) erzielt ;

man erzeugt eine Turbulenz in dem Kühlmedium, wodurch der Wärmeübertragungs- oder Austauschkoeffizient h erhöht wird;

man wirkt gleichzeitig auf die beiden Faktoren (—J

and h ein, indem man quergestellte oder in Schraubenlinien verlaufende Kühlrippen an der Hülle vorsieht.

. Bei quergestellten Kühlrippen werden die Turbulenz die abkühlende oder wärmeübertragende Oberfläche

vergrößert, aber das Kühlmedium erleidet einen großen Druckverlust.

b) Bei der Verwendung von schraubenlinienförmig angeordneten Kühlrippen folgen diese Rippen einer oder mehreren Schraubenlinien auf der Oberfläche der Hülle; der Wärmeaustauschkoeffizient wird nur wenig erhöht. Weiterhin ist auch die Turbulenz verhältnismäßig gering, da die einzelnen Flüssigkeits-Teilströmungen im wesentlichen laminar in Schraubenlinien verlaufen und praktisch unabhängig von der Flüssigkeitsmenge sind, die in dem äußeren Ringraum des Brennstoffkanals, der einerseits durch die Außenwände des Kühlmediumkanals und andererseits durch die Hüllfläche der Kühlrippen des Brennstoffelements begrenzt wird, die über die äußeren Ränder der Kühlflächen geht, in Längsrichtung strömt; infolgedessen ergibt sich bei dieser besonderen Ausführung, daß bei mehrgängigen Schraubenlinien die einzelnen Teilströmungen des Kühlmediums praktisch unabhängig voneinander sind und eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübertragung nicht erzielt werden kann.

Es wurde nun gefunden, daß man gleichzeitig eine große Wärmeaustauschfläche schaffen und einen hohen Wärmeaustauschkoeffizienten erreichen kann, wenn man eine Hüllenkonstruktion für die Brennstoffelemente benutzt, die sich aus der bekannten Ausführungsform mit schraubenförmig angeordneten Kühlrippen ableiten läßt.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Hülle für Kernreaktor-Brennstoffelemente, die an ihrem zylindrischen Körper mit gewinkelten Kühlrippen versehen ist

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und die die Nachteile der Ausführungen mit Längs- oder Serien derselben Hülle Abstände unterschiedlicher Größe

Querkühlrippen bzw. mit schraubenlinienförmig verlau- vorsehen.

fenden Kühlrippen vermeidet. Eine abweichende Ausführungsform der erfindungs-

Die neue Hüllenausführung ist im wesentlichen da- gemäßen Hülle enthält Kühlrippen in jeder Serie, die durch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen an dem Hüllen- 5 jeweils mit den Kühlrippen der benachbarten Serien in körper abwechselnd in zwei unterschiedlichen, sich im der Weise verbunden sind, daß sie gewinkelte Kühlwesentlichen in Längsrichtung der Hülle erstreckenden rippenzüge darstellen, die als durchgehende gewinkelte Serien von Schraubenlinienabschnitten angeordnet sind, Rippen um den ganzen Umfang der Hülle herumlaufen die innerhalb einer Serie parallel zueinander, in den und deren Ansicht eine etwa im Zickzack verlaufende gejeweils benachbarten Serien jedoch mit entgegengesetzter io brochene Linie bildet; bei dieser Ausführungsform entNeigung verlaufen, und daß an der Grenze benachbarter steht kein in Längsrichtung verlaufender Durchlaß an Serien entweder schmale, von Kühhippen freie Durch- der Oberfläche der Hülle.

lasse vorhanden sind oder die Kühlrippen der einen Serie Man kann nun natürlich auch sämtliche Kühlrippen-

mit denen der benachbarten Serien verbunden sind und anordnungen vorsehen, die zwischen diesen beiden soeben

mit ihnen um den Hüllenkörperumfang herumlaufende, 15 geschilderten Extremen liegen, indem man die Kühlrippen

V-förmig gewinkelte Kühlrippenzüge bilden. mehrerer Serien miteinander verbindet tuid die auf

Bezeichnet man mit A₁, B₁, A₂, B₂ ... die Serien von diese Weise zusammengefaßten Kühlrippenserien durch

Schraubenlinienabschnitten, wie sie nacheinander am schmale, gerade oder gebrochene Durchlässe trennt.

Umfang der Hülle aufeinanderfolgen, so haben die Man kann beispielsweise gewinkelt verlaufende Kühl-

Schraubenlinien der einzelnen Serien A₁, A₂ ... sämtlich 20 rippenzüge erhalten, die jeweils aus vier unmittelbar

die gleiche Richtung und eine Linkssteigung; die Schrau- miteinander verbundenen Kühlrippen bestehen, welche

benÜnien der benachbarten Serien B₁, B₂ ... haben die zu vier am Umfang nebeneinander angeordneten Serien

entgegengesetzte, d. h. eine Rechtssteigung. gehören; drei dieser gewinkelten Kühlrippenzüge, zwi-

In dem allgemeinen Fall sind die Kühlrippen einer sehen denen längsgerichtete Durchlässe liegen, welche Serie nicht mit denen der benachbarten Serie verbunden, 25 frei von Kühlrippen sind, liegen dann beispielsweise in und zwischen zwei einander benachbarten Serien von einer bestimmten Umfangszone der Hülle.
Kühlrippen-Schraubenlinienabschnitten sind enge Durch- Ganz allgemein kann man entweder nur zwischen den lasse vorgesehen. Die Durchlässe, die von Kühlrippen Kühlrippen der gleichen Serie oder zwischen den Kühlfrei sind und zwischen den Serien A₁ und B₁, B₁ und A₂, rippen der unterschiedlichen Serien der gleichen Hülle A₂ und B₂ ... liegen, mögen mit C₁, C₂, C₃ ... bezeich- 30 veränderliche Abstände vorsehen; man kann auch die net werden. Neigung der Kühlrippen gegenüber den Erzeugenden der

Die Serie A₁ setzt sich aus einer bestimmten Anzahl Hüllenoberfläche unterschiedlich wählen; man kann von Kühlrippenabschnitten zusammen; die Enden α die- schließlich an der gleichen Hülle nur eine einzige oder ser Kühlrippen, die am Rande des Durchlasses C₁ diesen voneinander abweichende Typen von Durchlässen anbegrenzen, können jeweils den Enden b der Kühlrippen 35 ordnen (gerade Durchlässe, gebrochene Durchlässe des der Serie B₁ gegenüberliegen, die sich an der anderen ersten Typs, gebrochene Durchlässe des zweiten Typs). Seite des gleichen Durchlasses befinden; wenn die Enden α Die allgemeine Richtung dieser Durchlässe, die in der und b längs zweier bestimmter Erzeugender G₁ und G₁ Längsrichtung der Hülle verläuft, kann die Richtung des zylindrischen Hüllenkörpers liegen, so befindet sich einer Erzeugenden der Hüllenoberfläche, aber auch die die Erzeugende G₁ auf der Seite der Serie A₁ und die 40 Richtung einer Schraubenlinie sein, deren Steigung ganz Erzeugende G₁' auf der Seite der Serie B₁. In diesem Falle wesentlich größer ist als die Steigung der Kühlrippen. ist der Durchlaß zwischen den Serien^ und B₁ gerad- Die Kühlrippen sind meist sämtlich mit gleicher Höhe linig. Der Durchlaß bleibt auch geradlinig, wenn die An- ausgeführt und stehen senkrecht auf der zylindrischen Ordnung der Kühlrippenenden so erfolgt, daß die Enden α Oberfläche der Hülle (als Höhe wird die senkrecht über der Kühlrippen A₁ gegenüber den Enden b der Kühl- 45 dem Hüllenkörper gemessene Höhe der Kühlrippe angerippen der Gruppe B₁ in axialer Richtung versetzt sind. sehen); man kann aber auch die einzelnen Kühlrippen Man kann dann auch zwischen den einzelnen Gruppen mit unterschiedlichen Höhen ausführen. Schließlich kann einen geraden Durchlaß vorsehen; außerdem kann man man auch die Ebene der Kühlrippen bzw. ihre Querauch zwischen unterschiedlichen Gruppen Zwischenräume Schnittsmittellinien neigen, so daß die Kühlrippen nicht unterschiedlicher Größe vorsehen. 50 mehr senkrecht auf dem Körper der Hülle stehen.

Wenn die beiden Erzeugenden G₁ und G₁' zusammen- Es wird angenommen, daß die Kühlrippen einer Serie fallen und die Enden α und b der Kühlrippen nicht ein- sämtlich gleiche Abstände voneinander haben und in ander gegenüberliegen, kann man feststellen, daß den- längsbegrenzten Umfangsabschnitten mit η Schraubennoch an der Grenzlinie der Serien A₁ und B₁ ein Durchlaß linien (im allgemeinen eine Schraubenlinie für mehrere gebildet wird, dessen Mittellinie die Linie ist, in der die 55 Abschnitte) angeordnet sind. Wenn man dann mit e den Enden α und 6 der Kühlrippen liegen. Dieser Durchlaß Abstand der Kühlrippen, b die Steigung der Schraubenhat in der Ansicht eine Zickzackform; er kann ein ge- linien und α den Neigungswinkel der Schraubenlinie mit brochener oder gewinkelter Durchlaß des ersten Typs der Erzeugenden des zylindrischen Hüllenkörpers begenannt werden. zeichnet, so ergibt sich die Beziehung

Wenn die Anordnung der Kühlrippen derart ist, daß 60

die Erzeugende G₁ sich an der Seite der Serie B₁ befindet _ß _ 2 π R cos α ₌ sin α
und die Erzeugende G₁' an der Seite der Serie A₁, bleibt η η
immer noch ein »Durchlaß« zwischen den Kühlrippenserien A₁ und B₁ bestehen. Die Winkelung in diesem Die physikalisch wichtigsten Größen, die man verDurchlaß ist gegenüber der vorher erwähnten Durchlaß- 65 ändern kann, sind e und a. Wenn die Neigung α gegeben form wesentlich betonter; ein derartig gebrochener oder ist, erkennt man, daß man e nur jeweils schrittweise oder gewinkelter Durchlaß kann als Durchlaß des zweiten sprunghaft ändern kann, indem man η variiert. Bei einem Typs bezeichnet werden. gegebenen Abstand e der Kühlrippen kann man unter-

Bei den Ausführungen mit gebrochenem oder gewinkel- schiedliche mögliche Werte für α — jeweils entsprechend

tem Durchlaß kann man auch zwischen den einzelnen 70 der Anzahl der Schraubenlinien — ausführen.

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Die Hülle gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet Durchlaß zu eng ist, um die gesamte aus den unteres, eine Turbulenz in dem Kühlsystem zu erzeugen, wo- schiedlichen schraubenlinienförmigen Kanälen zusammendurch man einen hohen Wärmeaustauschkoeffizienten laufende Flüssigkeit abzuführen —· muß sich jedoch mit zwischen der Hülle und dem Kühlmedium erhält. der in dem äußeren Ringraum aufsteigenden Flüssigkeit

Man wählt ganz willkürlich eine Strömungsrichtung 5 mischen.

des Kühlmediums relativ zu einer bestimmten Anord- Der Eintritt der Flüssigkeit in die schraubenlinien-

nung des umhüllten Brennstoffelementes; das Brenn- förmigen Kanäle zwischen den Kühlrippen geschieht an

stoff element soll beispielsweise in vertikaler Anordnung ihrem unteren Ende, und zwar erfolgt die Speisung hier

zentrisch in einem Kanal angeordnet sein, und der Kühl- unmittelbar aus der Flüssigkeit des äußeren Ringraumes mittelumlauf erfolgt von unten nach oben. In diesem io und/oder durch einen Flüssigkeitsanteil, der in den Zu-

Falle befindet sich zwischen den inneren Begrenzungs- laufdurchlässen zuströmt.

wänden des Kanals, in dem das Kühlmedium umläuft, So wird in den beiden Fällen die aufsteigende Bewegung

und einer zylindrischen Hüllfläche, die das Brennstoff- der Kühlflüssigkeit an vielen Einzelpunkten durch zahl-

element einschließlich seiner Kühlrippen einhüllt, ein reiche lokale Querströmungen gestört, die längs des gefreier Raum. Der Kanal, in dem das Kühlmedium um- 15 samten Hüllenkörpers auftreten; auf diese Weise erreicht

läuft, ist im allgemeinen zylindrisch; infolgedessen man ein ausgezeichnetes Durchmischen der gesamten

können wir den am Rande verbleibenden freien Raum Menge des Kühlmediums.

»äußeren Ringraum« nennen. Wenn dieser Ringraum Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die erfindungs-

überhaupt nicht vorhanden oder nur sehr klein ist, ergibt gemäße Hüllenausführung außerdem das Auftreten einer sich keine Möglichkeit gegenseitiger Durchwirbelung des 20 Rotationsströmung verhindert, die bei den bekannten

Mediums, das zwischen den Kühlrippen umläuft, und des Anordnungen von Kühlrippen in gleichmäßig durchge-

Mediums in dem äußeren Ringraum. Wenn dieser Raum führten Schraubenlinien auftritt.

genügend groß ist, entsteht die Turbulenz; das zwischen Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind in der den Kühlrippen hindurchlaufende Medium kann infolge Zeichnung unterschiedliche Ausführungsbeispiele dargeeines Strömungsaustausches mit dem Medium in dem 25 stellt, die lediglich einzelne erfindungsgemäße Ausäußeren Ringraum erneuert werden; die aufsteigende führungen zeigen, aber keinesfalls die Erfindung auf diese Bewegung des Kühlmediums schafft dann zwischen den Ausführungsbeispiele beschränken sollen. Es zeigen
Kühlrippen Strömungen des Kühlmediums, die entweder Fig. 1 und 2 Schemadarstellungen, die lediglich der in einer nach links oder nach rechts gerichteten Rieh- Erläuterung des Prinzips dienen und zeigen sollen, auf tung — jeweils entsprechend der Anordnung der Schrau- 30 welche Weise die Turbulenz bei der Anordnung von benlinien der Kühlrippen jeder Kühlrippenserie — schräg Kühlrippen nach der Erfindung entsteht,
aufwärts strömen. Es folgt daraus, daß die Teilströmun- Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer mit Kühlgen des Kühlmediums, die in den mit entgegengesetzter rippen versehenen Brennstoffelementhülle, bei der zwi-Steigung verlaufenden Kühlrippenserien zweier benach- sehen den Serien schraubenlinienförmig ausgebildeter barter Serien strömen, aufeinandertreffen und dabei eine ₃₅ Kühlrippen Längsdurchlässe vorgesehen sind,
Turbulenz erzeugen. Fig. 4 und 5 schematisch dargestellte Abwicklungen Eine Turbulenz tritt auch bei Ausführungen mit un- eines Teiles der zylindrischen Oberfläche der Hülle in mittelbar zusammenhängenden, V-förmig im Zickzack einer Ebene; die Kühlrippen sind derart angeordnet, daß um die Hülle herumlaufenden Kühlrippen auf, ähnlich sich gebrochene Längsdurchlässe ergeben;
wie bei den Ausführungen, in denen einige Längsdurch- 40 Fig. 6 zeigt eine Abwicklung der zylindrischen Oberfläche lasse vorgesehen sind. der Hülle, bei der die Kühlrippen der unterschiedlichen Wenn die Kühlrippen zusammenhängen und am Um- Gruppen unmittelbar zusammenhängen und vollständig fang geschlossene, V-förmige Zickzacklinien bilden, ergibt geschlossene, in Zickzackform um die Hülle umlaufende sich, daß an der Stelle des Zusammentreffens zweier Kühlrippenzüge bilden,

schräg gegeneinander gerichteter aufwärts strömender 45 Fig. 7 eine Kennliniendarstellung, welche vergleichs-

Teilströmungen die Flüssigkeit nach außen herausge- _weise den Temperaturverlauf in dem Kühlmedium bei

drückt wird, und zwar in erster Annäherung etwa senk- einer Ausführung gemäß der Erfindung und bei einer

recht zum Hülsenkörper, wobei sie in den äußeren Ring- bekannten Ausführung einer Brennstoff hülle wiedergibt,

raum hineinfließt. Der Zufluß der Teilströmungen des I_n den Figuren sind nur die jeweils zum Verständnis

Kühlmittels erfolgt an den unteren Teilen der schrauben- 50 der Erfindung notwendigen Teile dargestellt,

linienförmig gekrümmten Kanäle zwischen den Kühl- Die Fig. 1 betrifft eine Brennstoffelementhülle gemäß

rippen, die ihrerseits die Zickzacklinie bilden, und zwar der vorliegenden Erfindung, die mit längsgerichteten

ist dies eine Strömung, die aus dem äußeren Ringraum in Durchlässen versehen ist; der Umlauf des Kühlmediums

die Kanäle zwischen den Kühlrippen eintritt. in dem senkrechten, das Brennstoffelement enthaltenden

Bei Hüllenausführungen mit Längsdurchlässen ist zu ⁵⁵ Kanal erfolgt von unten nach oben. Die Richtung der

beachten, daß die Durchlässe hinsichtlich ihrer Funktion Strömung des Kühlmediums in den Durchlässen zwischen

zu zwei unterschiedlichen Arten gehören: benachbarten Kühlrippen 1, 2, 3 und 4 der Serie A₁, 5,

Die eine Art, die wir Abführungsdurchlässe nennen 6, 7 und 8 der Serie B₁ sowie 9,10,11 und 12 der Serie A₂

wollen, sind diejenigen, in denen die Flüssigkeitsteil- ist durch die Pfeile angegeben; die Flüssigkeits-Teil-

strömungen mit entgegengesetzter Strömungsrichtung 60 strömungen, die in diesen Kanälen strömen, treffen in

zusammenlaufen; die anderen, die wir Zulauf durchlässe dem Abführungsdurchlaß C₁ zusammen. Die von einem

nennen, sind diejenigen, die lediglich aus dem äußeren Kreis umgebenden Kreuze sollen besagen, daß an diesen

Ringraum gespeist werden. Stellen Flüssigkeit aus dem äußeren Ringraum in den

An dem Punkt des Zusammentreffens der Teilströmun- Zuführungsdurchlaß C₂ und in die schraubenlinien-

gen mit entgegengesetzter Richtung setzt ein Teil der 65 förmigen Kanäle zwischen den Kühlrippen eintritt; die

Flüssigkeit dieser Strömungen seine aufsteigende Be- von einem Kreis umgebenen Punkte besagen, daß an

wegung unmittelbar fort, indem er durch den Abführungs- diesen Stellen die Flüssigkeit aus den Kanälen oder

durchlaß fließt, der durch den Treffpunkt der Strömungen Durchlässen in dem äußeren Ringraum zurückströmt,

führt; der größere Teil der Flüssigkeit dieser Teil- Die Fig. 2 bezieht sich auf eine Ausführungsform der

strömungen — der diesen Weg nicht gehen kann, weil der 70 Hülle, bei der die Serien von Kühlrippen in einer zu-

sammenhängenden, durchgehenden V-förmigen Zickzacklinie angeordnet sind; die Erneuerung oder der Wechsel der Flüssigkeit an der Brennstoffelementoberfläche erfolgt lediglich auf Grund der Transversalbewegungen; die einzelnen Zeichen in dieser Figur haben die gleiche Bedeutung wie in der Fig. 1.

In der Fig. 3 erkennt man die Durchlässe C₁ und C₂, deren allgemeine Richtung die einer Erzeugenden des zylindrischen Hüllenkörpers ist, der mit 13 bezeichnet ist. Diese Hülle ist im unteren Teil der Darstellung ge- ίο schnitten; die Kühlrippen sitzen längs serienweise am Umfang der Hülle liegenden Schraubenlinienabschnitten. Eine derartige Serie von Kühlrippen ist jeweils durch die Durchlässe C₁ und C₂ begrenzt. Die Kühlrippen 14 je einer Serie verlaufen jeweils in der gleichen Richtung parallel zueinander; die Kühlrippen einer benachbarten Serie haben entgegengesetzte Steigung, wie beispielsweise die Kühlrippe 15, die der Kühlrippe 14 der ersten Serie gegenüberliegt. Der gegenseitige Abstand der Kühlrippen einander benachbarter Serien ist überall der ao gleiche, er bestimmt die Breite der längsgerichteten Durchlässe C₁ bzw. C₂. Die Flächen aller Kühlrippen stehen senkrecht auf der zylindrischen Oberfläche der Hülle 13, und der Abstand zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Kühhippen der gleichen Serie ist in dem gesamten Bereich der Hülle überall der gleiche; ebenso ist auch der Steigungswinkel, den die einzelnen Kühlrippen mit Erzeugenden des Hüllenzylinders einschließen, zwar bei der einen Gruppe positiv und bei der anderen negativ, aber seiner absoluten Größe nach überall gleich.

Die Fig. 4 zeigt Durchlässe C₁, die ebenfalls in Längsrichtung verlaufen, aber gebrochene Durchlässe sind. Derartige Durchlässe entstehen dann, wenn die Enden der Kühlrippen »auf Lücke« sitzen, wie dies bei den Kühlrippen 16, 17 und 18, 19 zweier benachbarter Serien der Fall ist; der Abstand zweier aufeinanderfolgender paralleler Kühlrippen wie 16 und 17 ist überall derselbe.

In der Fig. 5 ist eine Ausführung dargestellt, bei der der Abstand der Kühlrippen einer gleichen Serie sich nach dem oberen Ende der Hülle hin zunehmend erhöht; die Richtung, in der diese Erhöhung erfolgt, und die Größe dieser Abstandserhöhung ist bei den unterschiedlichen Serien die gleiche. Auf diese Weise ist auch der Abstand zwischen den Kühlrippen in der gleichen Höhe der Hülle überall derselbe. Die Durchlässe sind bei dieser Ausführung ebenso ausgeführt wie bei der Ausführung gemäß Fig. 4. Da die Turbulenz in denjenigen Zonen, in denen der Kühlrippenabstand kleiner ist, wesentlich stärker sein muß, kann eine derartige Ausführung verwendet werden, wenn der thermische Wärmefluß sich ungleichmäßig über die Länge der Hülle verteilt.

Die Fig. 6 zeigt, wie Kühlrippen auf der gleichen Höhe der Hülle unmittelbar miteinander verbunden sind, so daß sie am Umfang des Hüllenmantels verlaufende V-förmige Zickzacklinien bilden; die Zickzacklinie 21 wird von den Kühlrippen 22 bis 27 gebildet; die Kühlrippen 22, und 26 sitzen auf der zylindrischen Oberfläche der Hülle in Schraubenlinienabschnitten, deren Steigung entgegengesetzt zu der Steigung derjenigen Schraubenlinienabschnitte ist, auf denen die Kühlrippen 23, 25 und 27 sitzen. Diese Ausführung der Hülle weist keine längsgerichteten Durchlässe auf.

Eine abweichende Ausführungsform erhält man, wenn man längsgerichtete Durchlässe vorsieht, indem man die V-förmigen Zickzacklinien am Umfang in mehrere Einzelteile unterteilt; jeder Teil soll jedoch aus wenigstens zwei Kühlrippen mit einander entgegengesetzt gerichteter Steigung bestehen.

Die Kurvendarstellung gemäß Fig. 7 zeigt die Temperaturunterschiede in der Kühlflüssigkeit in einer Querschnittsebene AB des Kühlmittelkanals, durch den das Kühlmittel strömt. Das zu kühlende Brennstoffelement ist durch die Strecke C-D begrenzt, die ohne die Kühlrippen gilt; sein gesamter Durchmesser einschließlich der Kühlrippen entspricht der Strecke E-F. Die Begrenzungen des äußeren Ringraumes innerhalb des Kühlmittelkanals werden durch die Punkte A, E und B, F dargestellt.

Die gestrichelte Kurve 29 gibt bei einer bestimmten mittleren Temperatur T der Kühlflüssigkeit die Temperaturverteilung bzw. -diff erenzen innerhalb des Kanals A B, wenn man eine Hüllenausführung verwendet, die — im Gegensatz zu der Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung — keine Kühlrippen aufweist. Demgegenüber zeigt die Kurve 28, daß die Temperatur T innerhalb des gesamten Kühlflüssigkeitsvolumens wesentlich flacher verläuft und daß auch die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T₁ an der Hüllenwand und der mittleren Temperatur T des Kühlmediums (Differenz zwischen T₁ und T der Darstellung) bei der Verwendung der Kühlrippenanordnung nach der Erfindung wesentlich kleiner ist als bei der Verwendung einer glatten Hülle, bei der die Hüllentemperatur den Wert T₂ erreicht und die Differenz zwischen der Hüllentemperatur T₂ und der mittleren Kühlmitteltemperatur T ein Mehrfaches der Differenz T₁-T beträgt.

Claims

Patentansprüche:

1. Hülle für Kernreaktor-Brennstoffelemente, die an ihrem zylindrischen Körper mit gewinkelten Kühlrippen (Kühllamellen) versehen ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kühlrippen an dem Hüllenkörper abwechselnd in zwei unterschiedlichen, sich im wesentlichen in Längsrichtung der Hülle erstreckenden Serien von Schraubenlinienabschnitten angeordnet sind, die innerhalb einer Serie parallel zueinander, in den jeweils benachbarten Serien jedoch mit entgegengesetzter Neigung verlaufen, und daß an der Grenze_ benachbarter Serien entweder schmale, von Kühlrippen freie Durchlässe vorhanden sind oder die Kühlrippen der einen Serie mit denen der benachbarten Serien verbunden sind und mit ihnen um den Hüllenkörperumfang herumlaufende, V-förmig gewinkelte Kühlrippenzüge bilden.

2. Hülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Kühlrippen einiger Serien mit den Rippen benachbarter Serien verbunden sind und anderseits einige Längsdurchlässe am Hüllenkörper vorgesehen sind, von denen jeweils zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Winkelrippenzüge aus wenigstens zwei einander entgegengesetzt geneigten Rippen begrenzt werden.

3. Hülle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß zwischen zwei benachbarten Kühlrippenserien, dessen Weite durch die einander zugewandten Enden der Rippen der beiden Serien eingegrenzt ist, gerade verläuft.

4. Hülle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Durchlaß eingrenzenden Enden der Rippen benachbarter Kühlrippenserien gegeneinander axial gestaffelt auf einer gemeinsamen Linie liegen oder ineinandergreifen und der Durchlaß gewinkelt verläuft.

5. Hülle nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die allgemeine Richtung des Durchlasses zwischen zwei benachbarten Kühlrippenserien die einer Erzeugenden der zylindrischen Oberfläche der Hülle ist.

6. Hülle nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die allgemeine Richtung des Durchlasses zwischen zwei benachbarten Kühlrippenserien die einer Schraubenlinie ist, deren Steigung erheblich größer als die Steigung der einzelnen Rippen ist.

7. Hülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Kühlrippen schrittweise in Längsrichtung des Elementes zunimmt, aber

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in gleicher Höhe am ganzen Umfang des Elementes der gleiche ist.

8. Hülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Kühlrippen, ihre Neigung gegen die Erzeugenden der zylindrischen Oberfläche der Hülle, die Neigung der Rippenquerschnitt-Mittellinien oder Rippenflächen gegenüber der Achse der Hülle und/oder die Höhe der senkrecht auf dem Hüllenkörper stehenden Rippen veränderlich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen