DE1179649B

DE1179649B - Brennstoffelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1179649B
Application number: DEP20705A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Hugo Ludolf Ritz
Original assignee: CA Parsons and Co Ltd
Current assignee: CA Parsons and Co Ltd
Priority date: 1957-05-21
Filing date: 1958-05-20
Publication date: 1964-10-15
Also published as: NL227956A; US3116213A; GB847220A; US3228853A; NL106256C

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KI.: G 21 Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1179 649

Aktenzeichen: P 20705 VIII c / 21:

Anmeldetag: 20. Mai 1958

Auslegetag: 15. Oktober 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor, das aus mehreren mit schraubenförmigen Rippen versehenen rohrförmigen Brennstoffbehältern besteht, die innerhalb eines Mantelrohres so angeordnet sind, daß ihre Achsen im wesentlichen parallel zur Hauptachse des Mantelrohres verlaufen.

Bei gasgekühlten graphitmoderierten Reaktoren ist es allgemein üblich, den Kernbrennstoff in einer Anzahl von Behältern unterzubringen, die in in den Graphitmoderator eingeformten Kanälen ruhen. Dabei wird ein Kühlgas gezwungen, durch die Kanäle und über die Oberfläche der Brennstoffbehälter zu zirkulieren, um die in dem Kernbrennstoff während des Betriebes des Reaktors erzeugte Wärme abzuführen.

Um den Wärmeübergang von den Brennstoffbehältern zu vergrößern, ist es bekannt, die Oberfläche der Behälter zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche mit Vorsprüngen, Rippen od. dgl. auszurüsten.

Es handelt sich hierbei um Elemente, von welchen jeweils ein einzelner Brennstoffbehälter in einer Bohrung des Reaktorcore untergebracht ist. Dabei wirkt sich jedoch der verhältnismäßig große Querschnitt des Kernbrennstoffes, der im allgemeinen eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, nachteilig aus. Die Erfindung sieht daher vor, statt eines einzelnen Brennstoffbehälters mit großem Querschnitt mehrere mit kleinem Querschnitt achsparallel zueinander angeordnete Brennstoffbehälter in einem Mantelrohr unterzubringen, das in die Bohrung im Reaktorcore eingesetzt wird.

Bei Wärmetauschern, insbesondere Kondensatoren, ist es zwar schon bekannt, mehrere mit schraubenförmigen Vorsprüngen versehene Rohre achsparallel zueinander in einem Behälter anzuordnen. Dabei erfolgt jedoch die Verbindung der einzelnen Rohre untereinander durch senkrecht zur Achse der Rohre verlaufende Querwände, in welche Halteringe eingesetzt sind, die die Außenkanten der Vorsprünge umfassen. Dadurch kann das Kühlmedium ungestört einem schraubenförmigen Weg innerhalb der durch die Vorsprünge gebildeten Kanäle folgen, und der Temperaturunterschied zwischen dem in unmittelbarer Nachbarschaft der Rohrwandung strömenden Kühlmittel und dem weiter außen fließenden Kühlmittel ist beträchtlich.

Bei einem Dampfkessel ist auch bekannt, zwischen Schraubengänge bildende Rippen quer zur Längsachse sich radial erstreckende Querrippen anzuordnen, die kürzer sind als die schraubenförmigen Rippen. Hierdurch sollen die Flamme und die Verbrennungs--Brennstoffelement für Kernreaktoren

Anmelder:

C. A. Parsons & Company Limited,

Newcastle-upon-Tyne,

Northumberland (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. H. Huss, Patentanwalt,

Garmisch-Partenkirchen, Rathausstr. 14

Als Erfinder benannt:
Heinrich Hugo Ludolf Ritz,
Newcastle-upon-Tyne, Northumberland
(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 21. Mai 1957 (16 137)

gase gegen die Oberfläche des Kessels gerichtet und in ihrem Durchgang durch die Schraubengänge verzögert werden. Es ergibt sich eine in einer äußeren Zylinderfläche verlaufende einfache schraubenförmige Strömung, wobei durch die Querschnittsverengungen der Querrippen ein gewisser Stau, ver- bunden mit einer Geschwindigkeitsvergrößerung, eintritt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffelement der im ersten Absatz erwähnten Art zu schaffen, bei welchem eine sehr gute Durchwirbelung und Durchmischung des Kühlmittels erfolgt, so daß die Temperatur an einem beliebigen Querschnitt des Brennstoffelementes über den gesamten Querschnitt annähernd gleich ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Brennstoffbehälter an den Enden von Stützflächen angeordnet sind, die sich von einem Stützglied aus radial nach außen erstrecken, wobei die axiale Ausdehnung sowohl des Stützgliedes als auch der Stützflächen im wesentlichen der Länge der Brennstoffbehälter entspricht, deren schraubenförmige Rippen ü&näle bilden, die von den Stützflächen durchdrungen werden.

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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch erläutert und an Hand dieser näher beschrieben. Es stellt dar

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen in ein neutronenmoderierendes Material eingeformten Kanal in einem Kernreaktor mit einem Schnitt durch ein Brennstoffelement und Teile benachbarter Elemente in dem Kanal,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt nach der Linie Af-A!" in der Fig. 1,

F i g. 3 einen Teilschnitt nach der Linie Y-Y in der F i g. 2, der eine vergrößerte Ansicht der Klammeranordnung zeigt,

F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie O-O in der Fig. 1.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Kanal 1 in neutronenmoderierendem Material 2 eines Kernreaktors vorgesehen, der eine Anzahl von übereinandergestapelten Brennstoffelementen 3 aufnimmt.

Jedes Brennstoffelement3 schließt einen Graphitbehälter 4 und vier Brennstoffbehälter 5 α bis 5 d ein (s. die F i g. 2), die nebeneinander in dem Graphitbehälter 4 angeordnet sind und deren Achsen parallel und symmetrisch zu einer Hauptachse Z-Z liegen.

Der Graphitbehälter hat einen kleeblattförmigen Innenquerschnitt, der vier kreisförmige Ausnehmungen 6 bildet, in denen die Brennstoffbehälter liegen.

Die Oberfläche der Brennstoffbehälter ist mit schraubenförmig verlaufenden Rippen 8 ausgerüstet, die jedoch aus Gründen der vereinfachten Darstellung nicht im einzelnen gezeigt sind. Die radiale Ausdehnung jeder Rippe ist durch einen Kreis 7 in der F i g. 2 und durch voll ausgezogene bzw. gestrichelte Linien 8 α, 8 & in der F i g. 1 dargestellt.

Der Raum zwischen den Behältern 5 a bis Sd ist durch ein mit der Hauptachse Z-Z koaxial verlaufendes Stützglied 9 unterteilt. Das Stützglied 9 besitzt radial abstehende Arme 9 a bis 9d, deren Zweck weiter unten erklärt ist. Die Arme 9 α bis 9 d reichen durch Schlitze, die in die schraubenförmigen Rippen eingeschnitten sind, und sie erstrecken sich radial bis an die Wandung des Brennstoffbehälters, um den Kühlmittelstrom zwischen den Schraubenrippen zu unterbrechen.

Die Brennstoffbehälter werden in dem Graphitbehälter 4 durch an jedem Ende des Brennstoffelementes angeordnete Klemmringe 10 gehalten. Die Ringe 10 passen in Schlitze 11, die in die Verschlußglieder 12 für die Brennstoffbehälter eingeschnitten sind; diese Ringe sind in ihrer Lage durch in den Graphitbehälter eingeschraubte Klammern 13 gehalten.

Die Ringe 10 weisen zu jeder Seite jedes Behälters liegende Schultern 14 auf, um dessen Bewegungen in Richtung des Schlitzes zu begrenzen.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch diese Klammeranordnung.

Bei dem dort dargestellten Graphitbehälter sind die Enden des den Behälter bildenden Rohres am oberen bzw. unteren Ende durch Metallglieder 15 bzw. 16 verstärkt. Das Glied 15 weist eine Lippe 15 a auf, die mit einem Greifer zum Anheben des Brennelementes zusammenwirken kann.

Die Glieder 15 und 16 sind so dimensioniert, daß, wenn sie gegen die Wände des Moderators anliegen, der verbleibende Teil des Graphitbehälters einen Abstand vom Moderator einhält.

In diese Metallglieder sind Kanäle 17 eingeformt (F i g. 2), damit ein Kühlgas durch die zwischen den Graphitbehältern und der Wandung der Moderatorkanäle gebildeten Zwischenräume fließen kann.

In der Fig. 4 ist der Innenquerschnitt des Graphitbehälters 4 klarer dargestellt.

Die allgemeine Richtung des Kühlgasstromes über die Brennstoffbehälter5 verläuft axial; es wird jedoch außerdem eine schraubenförmige Sekundärströmung durch die Schraubenrippen erzeugt.

Wenn das Gas zwischen den Schraubenrippen 8 strömt, wird es um den Umfang des Brennstoffbehälters geleitet und erreicht die Zwischenräume 19 zwischen den Behältern.

In diesen Räumen 19 sind die radialen Arme des Stützgliedes 9 so ausgebildet, daß eine innige Mischung stattfindet und das Gas danach zu dem anderen Behälter geleitet wird. Somit besteht für das Kühlgas die Möglichkeit, auf seinem Wege durch die Graphitbehälter um jeden Brennstoffbehälter zu zirkulieren.

Der schraubenförmige Kühlstrom um die Rippen und die innige Gasmischung in den Räumen 19 führen an allen Punkten zu einer Gastemperatur, die fast die Mitteltemperatur des Gases erreicht. Das Resultat ist ein wesentlich besserer Wärmeübergang für einen gegebenen Druckabfall gegenüber bekannten Anordnungen.

Während beim aufgezeigten Ausführungsbeispiel vier Behälter dargestellt sind, können selbstverständlich auch weniger oder mehr Behälter in ähnlicher Weise mit gleicher oder ähnlicher Strömungswirkung verbunden sein.

Man braucht hierzu lediglich ein mit der erforderlichen Anzahl von radialen Armen ausgestattetes Stützglied 9.

Das Stützglied 9 kann auch dazu verwendet werden, die Brennstoffelemente selbst im Reaktor zu stützen, indem z. B. durch den Raum 20 ein Befestigungsglied geführt ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement für einen Kernreaktor, bestehend aus mehreren mit schraubenförmigen Rippen versehenen rohrförmigen Brennstoffbehältern, die innerhalb eines Mantelrohres so angeordnet sind, daß ihre Achsen im wesentlichen parallel zur Hauptachse des Mantelrohres verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Brennstoffbehälter (5 a bis 5d) an den Enden von Stützflächen (9 a bis 9d) angeordnet sind, die sich von einem Stützglied (9) aus radial nach außen erstrecken, wobei die axiale Ausdehnung sowohl des Stützgliedes als auch der Stützflächen im wesentlichen der Länge der Brennstoffbehälter entspricht, deren schraubenförmige Rippen Kanäle bilden, die von den Stützflächen durchdrungen werden.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in eine Bohrung eines Graphitmoderators einführbare und von diesem im Abstand gehaltene hohle Mantelrohr (4) eine Anzahl Ausnehmungen (6) aufweist, in denen je einer der Brennstoffbehälter (5 α bis Sd) liegt, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß das Kühlmittel sowohl zwischen den Brenn-

Stoffbehältern als auch zwischen jedem Brennstoffelement und dem Mantelrohr strömen kann.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitige Lage der Brennstoffbehälter (5ö bis Sd) durch ein Ringglied (10) bestimmt ist, das jeweils in einen Schlitz (11) in einem Verschlußglied (12) am Ende jedes Brennstoffbehälters eingreift und das mit dem Mantelrohr (4) verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschriften Nr. 1 640 317, 2 134 058; »Electrical Review«, 26. April 1957, S. 752.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 707/264 10.64

Bundesdruckerei Berlin