DE1276223B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

• Kernreaktor-Brennstoffelement Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement mit ringförmigen Brennstoffpreßlingen gleichen Außendurchmessers, die unterschiedlichen Innendurchmesser besitzen und zu einer Hohlsäule in einer Hülse gestapelt sind und deren Wandstärke (Ringdicke) sich in Kühlmittelflußrichtung verändert.
• Es ist bekannt, an Stelle voller zylindrischer Brennstoffpreßlinge hohle ringförmige Preßlinge in die Hülsen von Brennelementen für Kernreaktoren einzusetzen (britische Patentschrift 861222). Dadurch werden die Brennstofftemperaturen verringert, die spezifische Brennstoffleistung vergrößert und das Ausdiffundieren von Spaltprodukten herabgesetzt. Zudem können sich im Fall des Ausdiffundierens von gasförmigen Spaltprodukten diese in dem Hohlraum ansammeln, wodurch sich der Druckaufbau in der Hülse ermäßigt. Man kann bei derartigen Brennstoffelementen eine größere Anzahl verhältnismäßig kurzer Preßlinge in verhältnismäßig lange Brennstoffhülsen einfüllen, so daß etwa 20 bis 50 Preßlinge hintereinander in einer Hülse liegen. Diese Brennelemente besitzen den Nachteil, daß sich wegen des unterschiedlichen Neutronenflusses an verschiedenen Stellen und wegen der unterschiedlichen Kühlmitteltemperatur ungleichmäßige Hülsen- und Brennstofftemperaturen einstellen.
• Es sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, nach denen dieser Nachteil verringert werden soll. Zum Beispiel kann die Kühlmittelgeschwindigkeit, die Hülsenoberfläche oder die Brennelementform über die Kühllänge unterschiedlich ausgeführt werden, womit sich eine gewisse Vergleichmäßigung der Hülsentemperatur ergibt (deutsche Auslegeschrift 1082 991). Zum Beispiel sind Brennelemente bekannt, bei denen der Querumfang der Schutzhülle sich längs der Patrone so ändert, daß während des Reaktorbetriebes die Temperatur der Schutzhülle an jedem ihrer Punkte in der Nähe des zulässigen Höchstwertes bleibt (deutscheAuslegeschrift1082991). Diese Brennelemente können auch durch Vereinigung mehrerer Elementarpatronen gebildet werden. Weiter ist bekannt, hohlzylindrische Brennelementkörper im Zwischenraum von zwei Metallhülsen anzuordnen, von denen zumindest die eine profiliert ist (französische Patentschrift 1211572). Dabei folgt die Formgebung der Hülsen derjenigen der Brennelementkörper. Die Formgebung der Hülsen wird dadurch erhalten, daß glatte Ausgangsrohre mittels Druck auf die Brennelementkörper gepreßt werden, bis es zur plastischen Verformung kommt. Bei der Verwendung nichtplastischen Materials, z. B. von Stahl, für die Hülsen ist dieses Verfahren nicht sehr geeignet. Außerdem treten bei größeren Abbränden Hülsendefekte wegen Freisetzens gasförmiger Spaltprodukte auf. Ein anderer bekannter Weg sieht vor, Uranrohre innen mit flüssigem Metall zu kühlen und die Rohrdicke des Kernbrennstoffs in der Innenzone des Reaktors schwächer auszuführen als in den Außenzonen (britische Patentschrift 754183). Dadurch kann die Uranrohrtemperatur vergleichmäßigt werden. Nachteilig ist hierbei, daß der Wärmeübergang in der Innenzone wegen der verringerten Kühlmetallgeschwindigkeit schlechter als außen ist. Es wurde ferner ein Brennelement vorgeschlagen, das in seiner Längsrichtung hintereinander angeordnete Brennstofftabletten enthält, die zum Teil massiv und zum Teil hohl sind. Dabei kann der Innendurchmesser der hohlen Tabletten in Richtung des Kühlmittelflusses stetig zunehmen (deutsches Patent 1187 744).
• Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, die vorstehend beschriebenen Nachteile oder Komplikationen zu vermeiden und Brennelemente mit ringförmigen Preßlingen zu ermöglichen, bei denen sich an allen Stellen der Hülse in Kühlmittelflußrichtung nahezu eine konstante Temperatur einstellt, und die einfach herzustellen sind. Dies wird bei einem Kernreaktor-Brennstoffelement der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß die Wandstärke der Brennstoffpreßlinge längs der Hohlsäule umgekehrt proportional ist dem Produkt aus dem in der Betriebsstellung sich dort einstellenden Neutronenfluß und dem Exponentialfunktionswert des Abstandes von der Kühlmitteleintrittsstelle der Hohlsäule.
• Bezeichnet `f den Spaltquerschnitt des Brennelements und h den Neutronenfluß, so ergibt die Theorie, daß bei gleichbleibender Hülsentemperatur folgende Beziehung gelten muß: 0 -2f .., exp(-Ki . @). Hierbei ist s die relative Kühllänge und K1 eine dimensionslose Strömungskennzahl. Die angegebene Beziehung folgt aus der Untersuchung in »Atomkernenergie«, 3 (1958), S. 94 bis 96. Bei Preßlingen mit relativ dünner Ringwandstärke ist ! f direkt der Ringwandstärke proportional, woraus sich die erfindungsgemäße Vorschrift ergibt. Nach dieser läßt sich beispielsweise bei vorgegebenem Verlauf des Neutronenflusses 0 direkt die richtige Bohrungsgröße als Funktion der Kühllänge ausrechnen. Paßt man die Wandstärke der Brennstoffpreßlinge entsprechend der erfindungsgemäßen Vorschrift an, so kann man eine derart gute Temperaturvergleichmäßigung der Hülsen erzielen, daß in gewissen Fällen die maximal auftretenden Hülsentemperaturen bei gleicher Kühlkanalleistung um 50 bis 80° C gegenüber nicht angepaßten Preßlingen herabgesetzt werden. Umgekehrt läßt sich bei gleichbleibender maximaler Hülsentemperatur die Kühlkanalleistung bei Anwendung des Erfindungsgedankens um 40 bis 60% anheben.
• Durch die Erfindung läßt sich die Wirtschaftlichkeit von Kernkraftwerken verbessern. Insbesondere hat es sich als günstig erwiesen, bei der Herstellung der Brennstoffpreßlinge nur eine kleinere Zahl verschiedener Bohrungen auszuführen, beispielsweise drei. Damit läßt sich der erwünschte Effekt schon ziemlich gut annähen. Die Preßlinge mit verschieden großen Bohrungen werden bei der Brennelementherstellung in passender Reihenfolge in die Hülsen gefüllt.
• In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Beispiel erläutert. In der Graphithülse 1 des Brennstoffelements befinden sich sieben Stahlhülsen 2 von 1 mm Dicke. In diesen Hülsen sind die verschieden starken und nach der erfindungsgemäßen Vorschrift bemessenen Preßlinge 3, 4 und 5 eingesetzt. Das Kühlmittel, in diesem Fall ein Gas, strömt in Längsrichtung an den Brennstäben vorbei.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Kernreaktor-Brennstoffelement mit ringförmigen Brennstoffpreßlingen gleichen Außendurchmessers, die unterschiedlichen Innendurchmesser besitzen und zu einer Hohlsäule in einer Hülse gestapelt sind und deren Wandstärke (Ringdicke) sich in Kühlmittelftußrichtung verändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Brennstoffpreßlinge längs der Hohlsäule umgekehrt proportional ist dem Produkt aus dem in der Betriebsstellung sich dort einstellenden Neutronenfluß und dem Exponentialfunktionswert des Abstandes von der Kühlmitteleintrittsstelle der Hohlsäule.
2. 2. Kernreaktor-Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der einzelnen Brennstoffpreßlinge über ihre Länge konstant ist und daß die Wandstärke der Brennstoffpreßlinge längs der Hohlsäule stufenweise an die angegebene Funktion angenähert ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1082 991; französische Patentschrift Nr. 1211572; britische Patenschriften Nr. 754183, 861222. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1187 744.