DE1100194B

DE1100194B - Kernreaktor-Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1100194B
Application number: DEP21557A
Authority: DE
Inventors: Hugo Heinrich Ludolf Ritz; Edward Rae Elliott
Original assignee: CA Parsons and Co Ltd
Current assignee: CA Parsons and Co Ltd
Priority date: 1957-10-21
Filing date: 1958-10-20
Publication date: 1961-02-23
Also published as: FR1215679A; CH364563A; US3137637A; GB873552A; BE572238A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennstoffelement für die Einführung in eine Bohrung eines Reaktor-Cores, bestehend aus einer Mehrzahl von derart im Abstand voneinander angeordneten Rohren, daß ein Rohrfachwerk gebildet wird. Der Kernbrennstoff ist in einer Mehrzahl von Behältern eingeschlossen, über deren Oberfläche ein Kühlfluidum geführt wird. Wenn die Betriebstemperatur der Reaktoren ansteigt, muß das zur Aufnahme des Brennstoffs verwendete Material fähig sein, den höheren Temperaturen zu widerstehen, und außerdem gleichzeitig geringe neutronenabsorbierende Eigenschaften behalten.

Bei Temperaturen einer Größenordnung von ungefähr 500° C und darüber sind die einzigen zur Zeit verfügbaren, den vorbeschriebenen Anforderungen genügenden Materialien, z. B. Beryllium, im allgemeinen schwierig zu formen oder zu bearbeiten.

Bei mit geringeren Temperaturen arbeitenden Reaktoren hat es sich als möglich herausgestellt, Materialien, wie beispielsweise Magnesiumlegierungen, einzusetzen, die einfacher mechanisch zu bearbeiten und zu verformen sind. Deshalb war es zur Erzielung eines bestmöglichen Wärmeüberganges möglich, auf der Außenseite der aus diesen Materialien hergestellten Behältern Flossen ziemlich verwickelter Gestaltung zu formen.

Ein besonders guter Wärmeübergang zwischen dem den Brennstoff aufnehmenden Behälter und dem seine Außenseite umströmenden Kühlfluidum wird erzielt, wenn man letzterem einen schraubenförmigen Weg aufzwingt. Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag wird ein solches Strömungsbild dadurch erreicht, daß an einem den Brennstoff aufnehmenden Behälter schraubenförmig um seine Längsachse verlaufende Flossen angeordnet sind, wobei die zwischen den Flossen gebildeten Strömungskanäle durch sich in axialer Richtung erstreckende Staubleche unterbrochen sind. Bei dem so erzeugten Strömungsbild der Kühlflüssigkeit wird die Kühlflüssigkeit über die Oberfläche in einer schraubenförmigen Bahn um eine Achse geführt, die selbst eine Schraubenlinie ist.

Es ist andererseits bekannt, eine Anzahl von aus Kernbrennstoff bestehenden oder diesen aufnehmenden Rohren auf einem Kreisumfang oder in dichter Packung zu einem das Brennstoffelement bildenden Rohrfachwerk zu vereinigen. Bei derartigen Brennstoffelementen strömt das Kühlfluidum durch den verbleibenden Raum, aber ohne daß ihm ein möglichst langer gewundener Weg aufgezwungen wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Brennstoffelemente, bei denen der Brennstoff in eine Mehrzahl von einzelnen aus Brennstoff bestehenden oder diesen enthaltenden Rohren aufgeteilt ist, über die das Kühfluidum in einer der vorstehend beschriebenen, im

Kernreaktor-Brennstoffelement

Anmelder:

C. A. Parsons & Company Limited,

Heaton Works, Newcastle-upon-Tyne,

Northumberland (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. C-H. Huß, Patentanwalt,
Garmisch-Partenkirchen, Rathausstr. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 21. Oktober 1957 und 13. Januar 1958

Hugo Heinrich Ludolf Ritz

und Edward Rae Elliott,
Newcastle-upon-Tyne, Northumberland

(Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

wesentlichen gleichen Weise zu strömen gezwungen werden kann, aber ohne daß dazu Flossen am Element angeordnet sein müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der Umfang des Rohrfachwerks mit mehreren Strömungsleitungen für das Kühlfluidum so in Verbindung steht, daß ein Teil des Umfangs jeder Leitung durch eine Anzahl der nebeneinanderliegenden Rohre gebildet ist, wobei die die Strömungsleitung bildenden Wände zwischen den Rohren Staumittel bilden und schräg zu den Rohren verlaufen.

An Hand der Zeichnung sind lediglich zwei Ausführungsformen gemäß der Erfindung dargestellt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung besteht das Brennstoffelement aus einer Mehrzahl von Rohren a, die jede Kernbrennstoff, z. B. Uranoxyd, enthalten. Die Rohre sind schraubenförmig, jedoch im

Abstand voneinander, um eine gemeinsame Achse angeordnet und bilden einen Teil des Umfangs eines Rohrfachwerks.

So entsteht ein zylindrischer Innenraum, in dem ein sich in axialer Richtung erstreckendes Stützglied b angeordnet ist, das eine Mehrzahl radial verlaufender Wände aufweist, die in Berührung mit den Rohren stehen und den Raum in eine Mehrzahl getrennter Strömungskanäle für das Kühlfluidum unterteilen.

109 527/472

MOO

Bei der bevorzugten Ausführungsform besitzen die : radial verlaufenden Wände des Stützgliedes b Ausnehmungen oder Öffnungen, die die Rohre α aufnehmen.

Die Rohre sind an jedem Ende des Elementes an Ringen c befestigt oder mit diesen verbunden.

Das sich axial erstreckende Stützglied besteht aus mehreren Wänden, die derart angeordnet sind, daß eine Zentralnabe entsteht, durch deren öffnung ein Kontroll- oder Steuerstab geführt werden kann, wenn das Element in den Reaktor eingelassen ist.

Die Rohre können rund oder eliptisch sein oder eine Querschnittsform mit geraden Seiten und abgerundeten Ecken aufweisen, oder auch rechtwinklig sein. Außerdem können mehrere Reihen von Rohren auf einem Radius liegen, wobei jede Reihe der gleichen Schraubenlinie folgt.

Die Rohre sind vorzugsweise aus einem Material gefertigt, daß höheren Temperaturen in der Größenordnung von 500° C und mehr widersteht. Hierfür geeignete Materialien sind beispielsweise Beryllium oder rostfreier Stahl.

Das Brennstoffelement ist zur Einbringung in eine Bohrung eines Reaktor-Cores bestimmt, durch die ein Kühlfluidum strömt. Bei gasgekühlten, graphitmoderierten Reaktoren, für die die Erfindung speziell geeignet ist, sind diese Elemente in einer Serie von Bohrungen oder Kanälen untergebracht, die in den Graphitmoderator eingeformt sind, und ein Kühlgas, beispielsweise Kohlendioxyd, strömt über die Oberfläche dieser Elemente.

Kühlgas tritt in axialer Richtung in das Brennstoffelement ein und wird auf einen schraubenförmig verlaufenden Weg zwischen den Rohren gerichtet. Dabei versucht es, in einer Schraubenlinie um den Umfang jedes Rohres zu fließen, bis es auf eine radial sich erstreckende Wand des Stützgliedes stößt, wo es radial nach innen längs der Fläche der Wandung abgelenkt wird und dann radial nach auswärts längs der Fläche der angrenzenden Wand in einem Schraubenweg, deren Achse parallel zur Achse des Brennstoffelementes verläuft, bis es wieder mit den Rohren In Berührung gerät. So fließt das Kühlfluidum spiralförmig längs des Brennstoffelementes und in sich spiralförmig um jedes Rohr.

Die Herabsetzung des Druckabfalles in den Strömungskanälen des Reaktorgehäuses ohne Überschreitung der maximal zulässigen Temperatur des Brennstoffelementes ist gemäß der Erfindung dadurch möglich, daß die Schraubensteigung vom Einlaß zum Auslaß abnimmt. So können die Rohre beispielsweise am Einlaß geradezu parallel zur Achse verlaufen und dann allmählich in einen mehr und mehr schraubenförmigen Weg zu dem Auslaßende hin übergehen.

Das Brennstoffelement ist insbesondere für Hochtemperatur-Reaktoren geeignet, da hoch temperaturwiderstandsfähige Metalle für die Rohre verwendet werden können und weder Flossen noch eine maschinelle Bearbeitung erforderlich sind. Außerdem können die Rohre leicht mit angereichertem Brennstoff in kompakter Pulverform gefüllt werden.

Falls Kohlendioxyd als Kühlmittel bei Temperaturen oberhalb 500° C in einem graphitmoderierten Reaktor verwendet wird* so kann es erforderlich werden, Vorkehrungen gegen den Angriff von CO₂ auf den Graphitmoderatorblock zu treffen. Wenn man den Außenumfang des Brennstoffelementes mit einem Zylinder aus Graphit d einhüllt und diesen mit dem Element verbindet, so kann der chemische Angriff auf die Mederatorblöcke vermindert werden.

; Der Zylinder aus Graphit kann zwischen Endflanschen des Brennstoffelementes gestützt werden, er soll jedoch von den Rohren einen Abstand aufweisen. Eingeführt in den Moderator kann ein schmaler Gasspalt zwischen dem Zylinder aus Graphit und dem Moderator oder Hauptmoderatorblock vorgesehen sein, um eine Überhitzung des Hauptmoderatorblockes durch das Brennstoffelement zu verhindern. Dieser Spalt kann groß genug gemacht werden, um die axiale Strömung eines Kühlgases zwischen dem Graphitzylinder und dem Graphitmoderatorblock zu ermöglichen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 verlaufen die um eine gemeinsame Achse angeordneten Rohre G₁ gerade. Sie erstrecken sich in axialer Richtung des Brennstoffelementes und weisen voneinander einen Abstand auf, der die Strömung eines Kühlfluidums um jedes Rohr ermöglicht.

Das sich axial erstreckende Stützglied b_± ist so um die Achse gewunden, daß seine sich in radialer Richtung erstreckenden Wände einer Schraubenlinie folgen. Diese Wände erstrecken sich, ebenso wie bei der in Fig. 1 dargestellten Form, so weit, daß sie in Berührung mit den Rohren gelangen und den Raum in eine Serie getrennter Strömungskanäle für das Kühlfluidum unterteilen.

Das Kühlgas tritt in axialer Richtung in das Brennstoffelement ein und wird infolge der Anordnung der Rohre, des Stützgliedes und seiner sich radial erstreckenden Wände schraubenförmig geleitet, so daß das Kühlfluidum spiralförmig längs des Brennstoffelementes fließt. Das Endresultat ist ein Strömungsbild, das im wesentlichen dem gleicht, das mit einem Brennstoffelement nach Fig. 1 erzielt wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement für die Einführung in eine Bohrung eines Reaktor-Cores, bestehend aus einer Mehrzahl von derart im Abstand voneinander angeordneten Rohren, daß ein Rohrfachwerk gebildet wird, dadurch, gekennzeichnet, daß der Umfang des Rohrfachwerks mit mehreren Strömungsleitungen für das Kühlmedium so in Verbindung steht, daß ein Teil des Umfangs jeder Leitung durch eine Anzahl der nebeneinanderliegenden Rohre gebildet ist, wobei die die Strömungsleitung bildenden Wände zwischen den Rohren Staumittel bilden und schräg zu den Rohren verlaufen.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre Kernbrennstoff enthalten und um eine gemeinsame Achse schrauben-' förmig verlaufend angeordnet sind und einen Raum einschließen, der in getrennte Strömungskanäle durch ein sich axial erstreckendes Stützglied unterteilt ist, dessen sich in radialer Richtung erstreckende Wände in Berührung mit den Rohren kommen.

3. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reihen von Rohren auf einem Radius liegen, aber jede der gleichen Schraubenlinie folgt.

4. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich radial erstreckenden Wände des Stützgliedes Ausnehnehmungen oder öffnungen zur Aufnahme der Rohre aufweisen.

5. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützglied

eine Nabe bildet, durch dessen Öffnung ein Kontroll- oder Steuerstab geführt werden kann.

6. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, geeignet zur Verwendung in einem graphitmoderierten Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß über die Rohre ein Graphitzylinder geschoben ist.

7. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre gerade verlaufen, sich axial längs des Elementes erstrecken und im Abstand voneinander durch sich radial erstreckende Wände eines Stützgliedes gehalten sind, das so um die Achse gewunden ist, daß seine sich radial erstreckenden Wände einer Schraubenlinie folgen.

8. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitzylinder in seiner Lage durch einen Flansch an jedem Ende des Elementes gehalten ist.

9. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der durch die Rohre oder die Wände des Stützgliedes gebildeten Schraube vom Einlaß zum Auslaß abnimmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy« 1955, Vol. 3, S. 99, 102 und 106.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen