DE1193180B - Brennstoffelement fuer einen Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

G 21

Deutsche Kl.: 21 g - 21/20

U5942VIIIc/21g
28. Januar 1959
20. Mai 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor, das aus rechteckigen Platten zusammengesetzt ist, die jeweils einen mit einer Metallhülle umgebenden Spaltstoffkern aufweisen und die durch auf der Hülle angeordnete Abstandsrippen im Abstand voneinander in loser Packung gehalten werden, so daß jeweils zwischen zwei Platten von den entsprechenden Außenflächen dieser Plattenhüllen und mehreren Abstandsrippen begrenzte Kanäle entstehen, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, welche die Platten an einer Parallelverschiebung gegeneinander hindern.

Bisher sind für organisch moderierte Reaktoren plattenförmige Brennelemente oder solche des MTR-Typs (Material-Prüf-Reaktor-Typs) in Erwägung gezogen worden.

Das typische plattenförmige Brennelement weist eine Anzahl langer, leicht gekrümmter oder flacher Platten auf, deren jede in einer dünnen Hülse aus Aluminium oder rostfreiem Stahl einen Kern aus einer Uran-Aluminium-Legierung oder einen dichten Sinterkörper aus UO₂ und rostfreiem Stahl enthält, woraus sich ein schichtstoffartiger Aufbau ergibt. Die Hülse dient dazu, Spaltprodukte in dem Brennstoff zurückzuhalten und das Uran vor Korrosion oder anderen Schädigungen durch das Kühlmittel zu schützen. Die Platten sitzen in Längsnuten in einem rechteckigen Hohlrahmen und sind mit diesem durch Schweißung oder Hartlötung verbunden, um einen mechanisch starren Aufbau zu erhalten.

Ein Nachteil des zur Zeit verwendeten Plattenbrennelementes liegt darin, daß auf Grund der in den Brennstoffplatten erzeugten Wärme in den Platten eine Temperatur aufrechterhalten wird, die über der Temperatur der Hauptmasse des Kühlmittels liegt. Die Bauteile des Brennelementes, in denen keine Wärmeentwicklung erfolgt, bleiben dagegen auf der Temperatur der Hauptmasse des Kühlmittes. Die sich aus dem Temperaturunterschied zwischen diesen Teilen ergebende gehemmte differentielle Ausdehnung kann zu bedenklichen thermischen Spannungen führen. Dieses Problem wird bei organisch gekühlten Reaktoren auf Grund der im Vergleich mit flüssigem Metall oder sogar wäßrigen Kühlmitteln schlechten Wärmeübertragungseigenschaften des organischen Mediums noch verstärkt. Wenn kein Ausgleich der thermischen Gradienten erfolgt, können starke, zum Verziehen und Werfen führende Spannungen, örtliche Überhitzungen und ein Versagen des Brennelementes auftreten. Ferner reicht die Wärmeübertragungsfläche auf der Brennstoffelement für einen Kernreaktor

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Washington, D. C. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Clifford Warren Wheelock, Canoga Park, CaHf.; Ernest Bernard Baumeister, Hollywood, Calif.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 28. Januar 1958 (711595)

Platte nicht zur Entfernung ausreichender Wärmemengen aus. Hierzu wäre eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels oder eine höhere Betriebstemperatur erforderlich. Eine erhöhte Pumpleistung würde aber zu den Hauptkosten der Anlage beitragen, und das organische Medium unterliegt oberhalb einer bestimmten Temperatur einer raschen Zersetzung.

Es ist bereits eine Anordnung bekannt, derzufolge zwischen je zwei Brennstoffplatten mehrere durch Abstandsrippen voneinander getrennte Kühlkanäle gebildet werden. Bei dieser bekannten Vorrichtung werden die Rippen als Abstandsrippen verwendet, um ein Eindrücken und damit Verstopfen der Kühlkanäle beim Aufeinanderschichten mehrerer Spaltstoffplatten zu verhindern. Weiterhin ist ein Spaltstoffelement für Kernreaktoren bekannt, das eine Anzahl von Spaltstoffplatten aufweist, deren Oberflächen sägezahnförrnige Konturen besitzen, die ausschließlich dazu dienen, den richtigen Abstand der Platten voneinander zu gewährleisten. Schließlich ist noch ein Kernreaktor mit festem Moderator und Brennstoffstäben bekannt, die mit Kühlrippen versehen sind, wobei diese im mittleren Reaktorbereich ihre der dort erforderlichen Kühlfläche entsprechende volle Länge haben und nach der Außenseite des Reaktors hin zunehmend gekürzt sind. Bei dem letztgenannten Gegenstand wird die größt-

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mögliche Vergrößerung der Kühlfläche mit mögliehst eng nebeneinandergesetzten und möglichst weit in den Kühlkanal hineinragenden Kühlrippen erzielt. Würde man nun zwei derartig ausgestaltete Brennstoffplatten aufeinanderschichten, so würden zwischen je zwei gegenüberliegenden Kühlrippen nur geringe Zwischenräume frei bleiben, welche bald von Verunreinigungen ausgefüllt wären, wodurch eine Anordnung von vielen sehr engen parallelen Kanälen erzeugt würde, die sowohl wegen starker Reibungsverluste des Kühlmittels für eine genügende Kühlung nicht ausreichend wären und zudem gegen Verstopfung besonders anfällig wären.

Es ist deshalb das Ziel dieser Erfindung, ein Kernbrennstoffelement der genannten Art zu schaffen, welches die unterschiedliche Ausdehnung verschiedener Bereiche des Elementes ohne Verziehen oder Werfen, das Auftreten örtlicher Uberhitzungen und anderer Effekte, die zu einem Versagen des Brennstoffelementes führen könnten aufzunehmen und auszugleichen vermag.

Dieses Ziel wird erreicht, indem gemäß der Erfindung die den von den Abstandsrippen gebildeten Kanälen zugekehrten Flächen der Spaltstoffhüllen in bekannter Weise mit in den jeweiligen Kanal vorspringenden Kühlrippen versehen sind und die Kühlrippen zweier einander gegenüberliegender Hüllenflächen innerhalb eines Kanals gegeneinander versetzt angeordnet sind. Damit wird bei größtmöglicher Ausnutzung des Kanalraumes unter Vermeidung der obengenannten Nachteile eine optimale Sicherheit erhalten. Auch gegen ein Aneinanderstoßen von gegenüberliegenden Kühlrippen infolge des Verziehens der Brennstoffplatten ist die Anordnung nach der Erfindung gesichert.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform des Brennelementes nach der Erfindung im Aufriß, teils geschnitten,

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen Teil der Fig. 2 in vergrößertem Maßstab,

F ig. 4 und 5 Teile der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 6 bis 8 eine andere Ausführungsform der Erfindung, und zwar F i g. 6 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer Brennstoffplatte,

Fig. 7 ein Bündel solcher Brennstoffplatten und

Fig. 8 die Außenansicht eines Brennelementes, das mit anderen Kopf -und Einsetzstücken ausgestattet ist.

in F i g. 1 ist das Brennelement 1 in der Lage dargestellt, in welcher es sich in einem Reaktorkern befindet. Das Element ist durch eine obere Gitterplatte 2 hindurchgeführt, die zur Führung beim Einsetzen des Brennelementes dient. Das Kopfstück 3 ist zu einem rechteckigen Hohlteil ausgebildet, das mit Ansätzen 4 ausgestattet ist, die ihrerseits so ausgebildet sind, daß sie zur Einführung des Brennelementes in einen Reaktor und zur Entnahme aus demselben mit einer Handhabungsvorrichtung in Eingriff gebracht werden können. Um eine Beschädigung der Brennelementteile durch die Handhabungsvorrichtung zu verhindern, sind Schutzsiege 5 vorgesehen. Das Endstück 6 ist hohl ausgebildet und konisch verjüngt; seine Schulter 7 liegt auf der Schulter8 einer (zur Einstellung der Kühlmittelströmung dienenden) Mundstückplatte 9, die ihrerseits auf der Bodengitterplatte 10 des Reaktors ruht. Diese Ausbildung ermöglicht es, die Brennelemente und Mundstückplatten gesondert auszuwechseln. Die Ausbildung der Kopf-und Bodenstücke ist nicht kritisch; man kann mit verschiedenen Formen arbeiten, die sich nach der zur Handhabung der Brennstoffteile dienenden Vorrichtung und der Form der Gitterplatten richtet. Die Brennstoffplatten

11 haben Reckteckform und sind parallel zueinander angeordnet. Sie sind nicht wie bei den bisherigen Elementen starr durch Hartlötung oder Schweißung festgelegt, sondern jede Platte wird vielmehr, wie die vergrößerte Teilansicht der Fig. 5 zeigt, von einem Querstab 12 gehalten. Das Kopfende jeder Platte wird von einer Feder 13 nach unten gedrückt (Fig. 1 und 4), deren unterer Teil in einem schalenförmigen Unterlagring 14 endet. Die Feder 13 lenkt die Bewegung der Brennstoffplatten 11 so, daß bei irgendeiner differentiellen thermischen Ausdehnung eine axiale Ausdehnung der Brennstoffplatten gegen die Wirkung der Feder erfolgt. Die Platten sind daher im wesentlichen »schwimmend« angeordnet, und durch das Auffangen der Ausdehnung .wird ein Versagen des Brennelementes auf Grund von Verziehungen und Verwerfungen vermieden. Die Hülse 15 des Spaltstoff enthaltenden Teils und die Kopf- und Bodenstücke 3 und 6 überlappen einander und sind unter Bildung eines Behälters für die Brennstoffplatten miteinander verschweißt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Brennstoffplatten. Auf der Umhüllung 16 der Platten 11, welche einen Kern 18 aus spaltbarem Material enthält, sind riefenartige Profile oder Rippen 17 vorgesehen. Es hat sich gezeigt, daß solche Rippen das Wärmeübertragungsvermögen des Brennelementes gegenüber demjenigen des flachen Plattenelementes bei den gleichen Bedingungen erheblich (um einen Faktor von 2Va) erhöhen. Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, weist die Plattenumhüllung in periodischen Abständen Rippen 19 mit rechteckigem Querschnitt (nachfolgend kurz: Rechteckrippen) auf, die eine größere Länge als die zugespitzten oder keilförmigen Rippen 20 (nachfolgend kurz: Spitzrippen) haben. Die Rechteckrippen 19 aufeinanderfolgender Platten berühren einander, wodurch die Platten sowohl im Abstand voneinander als auch seitlich abgestützt werden, wobei die axiale Halterung durch die Feder 13 und die Führungsstäbe

12 erfolgt. Wenn sich die Platten zu krümmen oder auszudehnen suchen, verhindern die Rechteckrippen den bedenklichen Verschluß des Kühlmitteldurchlasses. Die Spitzrippen 19 aufeinanderfolgender Platten (und auf den beiden Seitenflächen einer Platte) liegen, wie Fig. 2 zeigt, nicht direkt einander gegenüber, sondern sind versetzt. Durch diese Rippenver-Setzung wird die Strömungscharakerisrik des längs der Brennstoffplatten strömenden Kühlmittels verbessert. Die am Ende der Brennstoffplatte befindliehen, der Hülse 15 benachbarten Rippen 21 sind kürzer als die anderen Rippen, um einen stärkeren Kühlmitteldurchfluß längs der Brennelementhülse zu erreichen, wodurch die Wärmeübertragungseigenschäften des Brennelementes verbessert werden. Auf Grund der Rippenversetzung bei aufeinanderfolgenden Platten sind bei jeder Platte oben zwei und unten drei kurze Rippen 21 vorgesehen. Die in der Fig. 3 gezeigte Brennstoffplatte bildet nur die Hälfte der Brennstoffplatte nach der Fig. 2; bei der Platte

nach der Fig. 2 liegen zwei Brennstoffplatten der in Fig. 3 gezeigten Art mit ihren entsprechenden Enden in der Plattenmitte Rücken an Rücken unter Bildung einer Verbundplatte aneinander. Diese Ausbildung erfolgt, weil dabei die Herstellung des kürzeren Plattenstücks durch Strangpressen in der später beschriebenen Weise leichter ist; sie ist aber nicht kritisch, und es kann auch eine einzelne Brennstoffplatte hergestellt werden, welche über die gesamte Breite des Brennelementrahmens reicht. In entsprechender Weise kann die Brennstoffplatte auch in Längsrichtung aus einem oder mehreren kürzeren Teilen, z. B. vier Längsteilen aufgebaut werden.

Bei der in den Fig. 6 bis 8 gezeigten weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die Brennstoffplatte 22 (Fig. 6) mit ähnlichen Rechteck- und Spitzrippen 23 bzw. 24 versehen, wobei die Rechteckrippen wiederum als Abstandshalter dienen. Diese Brennstoffplatte ist jedoch in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mit einer verhältnismäßig größeren Rechteckendrippe 25 versehen, die eine Wulst 26 und eine Nut 27 aufweist. Wulst und Nut oder ähnliche Verbindungsmittel greifen bei aufeinanderfolgenden Brennstoffplatten 22 ineinander ein (Fig. 7) und verleihen dem Aufbau eine größere Formbeständigkeit. Die Platten sind zu einem Plattenbündel 28 vereinigt und werden von Umfangsbändern 29 zusammengehalten, die aus dem gleichen Metall wie die Plattenumhüllungen hergestellt sind. Nur die Endstücke 25 stehen mit den Umfangsbändern in Berührung, so daß ein Kühlmitteldurchtritt möglich ist. Eine Anzahl, z. B. vier solcher Plattenbündel 28 werden dann in eine Reckteckhülse 30 (F i g. 8) eingesetzt. Die Plattenbündel liegen lediglich in der Hülse aufeinander und sind weder mit dieser noch untereinander mechanisch verbunden, wodurch jegliche differentielle Größenzunahme zwischen der Hülse 30 und den Plattenbündeln 28 möglich ist, ohne daß Spannungen entstehen. Um, insbesondere bei nach oben statt nach unten gerichteter Kühlmittelströmung, eine axiale Bewegung der Plattenbündel oder stoßende Erschütterungen derselben zu vermeiden, kann man ähnlich wie bei der_ eingangs beschriebenen Ausführungsform einen Querstab und eine Feder (oder andere flexible Halteorgane) vorsehen. Eine nach unten gerichtete Kühlmittelströmung trägt zur Stabilität bei und kann bei beiden Ausführungsformen die Verwendung der Feder überflüssig machen. Das in der Fig. 8 gezeigte Brennelement ist mit anderen Kopf- und Endstücken 31 bzw. 32 als das Brennelement nach der Fig. 1 versehen, wobei der Kühlmitteldurchfluß durch das Element mit Pfeilen angedeutet ist.

Der Spaltstoffkern 18 enthält ein durch thermische Neutronen spaltbares Material, wie Uran oder Plutonium, in Form des Metalls oder einer Legierung,

ίο wie Uran-Aluminium- oder Uran-Thorium-Legierung, oder einer keramischen Masse, wie Uranoxyd oder -carbid, oder eines verdichteten Pulverkörpers, z. B. aus UO₂ und rostfreiem Stahl oder aus UO₂ und Aluminium. Das Uran kann den natürlichen Gehalt an den Isotopen ²³³U oder ²³³U aufweisen oder angereichert sein; typisch für einen organisch moderierten Reaktor ist eine Anreicherung des Urans auf einige Prozent, z. B. ungefähr 2% ²³⁵U. Als Umhüllungswerkstoff dient ein korrosionsfestes Metall, wie Aluminium, rostfreier Stahl oder Zirkon, oder eine Legierung davon. Das Aluminium wird im Hinblick auf seinen verhältnismäßig kleinen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen und seine allgemein zufriedenstellenden metallurgischen Eigenschäften in organisch moderierten Reaktoren für den vorliegenden Zweck bevorzugt. Um eine Wechselwirkung zwischen dem Uran und dem Aluminium, die zur Bildung von UAl₄ führen könnte, zu verhindern, kann man auf das Uran als Diffusionssperre galvanisch eine dünne (z. B. 0,01 mm starke) Nickelschicht abscheiden.

Die Brennstoffgrundplatte ist nach einer Reihe verschiedener Methoden erhältlich, deren genaue Wahl nicht kritisch ist. Zum Beispiel läßt sich die Aluminiumumhüllung mit oder ohne Kern in zufriedenstellender Weise strangpressen. Bei Strangpressung ohne Kern kann man das Kernmaterial dann in die sich ergebende Plattenhöhlung einsetzen und die Umhüllung metallurgisch durch Heißpressung mit dem Kern in einem Gesenk verbinden, dessen Riefung derjenigen der Umhüllung entspricht. Nach einer anderen Methode kann man das Aluminium auf galvanischem Wege auf den Spaltstoff aufbringen und die gewünschten Riefen durch Heißpressung mittels eines geeigneten Gesenks erzeugen. Es sind verschiedene metallurgische Arbeitsweisen anwendbar.

An Hand des nachfolgenden Beispiels wird die Erfindung weiter erläutert.

Brennelement

Kern 3,30 mm, Uranmetall, ²³⁵U-Anreicherung 1,8 %

Umhüllung 0,51 mm dickes Aluminium

Hülse 121,67 mm lang; 121,67 mm breit; Wandstärke 0,76 mm

rostfreier Stahl Rippen 3,9/cm

Breite an der Basis 1,27 mm

Abstand zwischen den Rippen 1,27 mm

Höhe 3,81 mm

Spaltstoffplatte 137 cm lang, 12,09 cm dick

Gesamtlänge des Brennelementes 172,88 cm

Feder 5,1 cm

Kopfstück 19,20 cm

Endstück 13,02 cm

Plattenzahl je Element 20 (6 Teile je Platte)

Zahl der Brennelemente im Kern

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Brennstoffelement für einen Kernreaktor, das aus rechteckigen Platten zusammengesetzt ist, die jeweils einen mit einer Metallhülle umgebenen Spaltstoffkern aufweisen und die durch auf der Hülle angeordnete Abstandsrippen im Abstand voneinander in loser Packung gehalten werden, so daß jeweils zwischen zwei Platten von den entsprechenden Außenflächen dieser Plattenhüllen und mehreren Abstandsrippen begrenzte Kanäle entstehen, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, welche die Platten an einer Parallelverschiebung gegeneinander hindern, dadurch gekennzeichnet, daß die den von den

   Abstandsrippen gebildeten Kanälen zugekehrten Flächen der Spaltstoffhüllen in bekannter Weise mit in den jeweiligen Kanal vorspringenden Kühlrippen versehen sind und daß die Kühlrippen zweier einander gegenüberliegender Hüllenflächen innerhalb eines Kanals gegeneinander versetzt angeordnet sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschrift Nr. 1022 710;
   britische Patentschriften Nr. 768 078, 771111;
   »Proceedings of the International Conference on

   the Peaceful Uses of Atomic Energy«, VoI 3, 1955,

   S. 158/159.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen