DE1278026B - Huelle fuer Kernbrennstoffelemente - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1278 026

Aktenzeichen: P 12 78 026.6-33 (C 30506)

Anmeldetag: 22. Juli 1963

Auslegetag: 19. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hülle für Kernbrennstoffelemente aus einem Rohr, auf dessen Außenseite gegeneinandergewinkelte Scharen von Rippen angeordnet sind, die gemeinsam mit dem Rohr nach außen offene Einzelkanäle für die Zirkulation eines die Hülle umströmenden Wärmeübertragungsmediums begrenzen.

Brennstoffelementhüllen dieser Art sind in der französischen Zusatzpatentschrift 77 374 (Zusatz zur französischen Patentschrift 1 218 482) sowie in den französischen Patentschriften 1280088 und 1291702 beschrieben. Alle diese bekannten Hüllen bestehen aus einem Rohr, dessen innerer Hohlraum von einem zylindrischen Brennstoffstab ausgefüllt wird und das außen von einem Kühlmedium umströmt wird, das durch die von der Außenwand des Rohres ausgehenden Rippen in eine Vielzahl von parallelen Teilströmen aufgeteilt wird. Dabei gibt es für die Anordnung der einzelnen Rippen die verschiedensten Möglichkeiten. Sie können sowohl eben ausgebildet ao sein als auch schraubenlinienförmig verlaufen. Immer aber gehen sie von der Außenwandung des Rohres aus und erstrecken sich bis zu einer gedachten Hüllfläche in Form eines zu dem Rohr koaxialen Zylinders nach außen.

Diese bekannten Brennstoffelementhüllen haben sich im praktischen Betrieb an sich durchaus bewährt. Es ergeben sich jedoch gewisse Schwierigkeiten bei der Erzielung besonders hoher Reaktorleistungen, die mit der Abgabe besonders großer Wärmemengen durch die einzelnen Brennstoffelemente verbunden sind. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei den dann erforderlichen, relativ hohen Betriebstemperaturen für die Brennstoffelemente eine allmähliche Fließverformung des Hüllenmaterials an der Übergangsstelle zwischen dem Rohr und den Rippen unter dem kombinierten Einfluß der Betriebstemperatur und auf die Rippen einwirkender Biegemomente auftritt. Diese Erscheinung zwingt dazu, als Material für die Herstellung der Elementhüllen Metalle zu verwenden, die auch bei hohen Betriebstemperaturen eine gute Formbeständigkeit aufweisen, um einer unerwünschten Verformung der Rippen zu begegnen. Nun weisen jedoch Metalle mit diesen mechanischen Eigenschaften meist auch ein hohes Absorptionsvermögen für Neutronen auf, was ihren Einsatz im aktiven Teil eines Kernreaktors · unerwünscht macht, da eine gesteigerte Neutronenabsorption den Wirkungsgrad des Kernreaktors vermindert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hülle für Kernbrennstoffelemente anzugeben, Hülle für Kernbrennstoffelemente

Anmelder:

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz

und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte,

8000 München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Jacques Pelce,

Fontenay-aux-Roses, Seine-et-Oise;
Paul Delpeyroux, Orsay, Seine-et-Oise
(Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 24. Juli 1962 (904 969)

deren Form zu einer geringeren Belastung des Rippengrundes an der Übergangsstelle zwischen dem Hüllenrohr und den Rippen durch die kombinierte Einwirkung von Temperatur und äußeren Biegemomenten führt.

Diese Aufgabe wird — ausgehend von einer Hülle der eingangs erwähnten Art — dadurch gelöst, daß die zu beiden Seiten jeder Rippe liegenden Einzelkanäle unterschiedlich tief in das Rohr eingeschnitten sind.

Das eine erfindungsgemäß ausgebildete Hülle im praktischen Einsatz im Kernreaktor umströmende Kühlmittel wird also an der Außenseite der Hülle in Einzelkanälen geführt, die sich durch ihren Querschnitt und insbesondere durch ihre Tiefe von den benachbarten Einzelkanälen unterscheiden. Dabei ergeben sich für die thermische und mechanische Belastung der Übergangsstelle zwischen den Rippen und dem Rohr der Hülle grundsätzlich andere Verhältnisse als bei den bisher bekannten Hüllen, was insbesondere auch gegenüber solchen Hüllen gilt, bei denen, wie etwa bei den Kernbrennstoffelementen nach der belgischen Patentschrift 558 588 oder den Wärmetauschern nach der französischen Patentschrift 1255 917 oder der britischen Patentschrift 732 468, Rippen vorhanden sind, die unterschiedlich weit m den Strom eines an der Außenseite der

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Brennstoffelementhülle bzw. des Wärmetauschers vorbeistreichenden Mediums hineinreichen. Bei allen diesen Hüllen bzw. Wärmetauschern gehen nämlich die verschiedenen Rippen, soweit sie unmittelbar mit dem inneren Rohr in Verbindung stehen, jeweils von Stellen aus, die einen gleichen Abstand zur Rohrachse aufweisen und dementsprechend gleicher thermischer Belastung unterliegen, so daß die oben erwähnten Vorsichtsmaßregeln zur Verhütung unerwünschter Fließerscheinungen auch bei diesen Brennstoffelementhüllen bzw. Wärmetauschern erforderlich sind. Ebensowenig steht die der französischen Zusatzpatentschrift 54 921 zu der französischen Patentschrift 923 175 zu entnehmende Möglichkeit, auf die Hohlanode einer Senderöhre aufgesetzte, quer zu deren Achse verlaufende Ringscheiben durch randseitig mehr oder weniger tief in die Scheiben eingeschnittene Schlitze in ihrer Oberfläche zu vergrößern, mit dem Grundgedanken der Erfindung, eine thermische Entlastung der Übergangsstelle zwischen einem inneren Rohr und äußeren Kühlrippen zu erreichen, indem man unterschiedlich tief in das Rohr eingeschnittene Kanäle vorsieht, in Verbindung, da auch bei dieser Kühlvorrichtung die Verbindung zwischen den äußeren Ringscheiben und dem inneren Rohr stets an Stellen erfolgt, die einen gleichen Abstand von der Rohrachse aufweisen, also ebenfalls thermisch in gleicher Weise beansprucht werden.

Das Grundprinzip der Erfindung läßt sich im übrigen in der Weise weiter ausgestalten, daß man nicht nur die Tiefe benachbarter Einzelkanäle unterschiedlich wählt, sondern daneben auch der lichten Weite benachbarter Einzelkanäle und gegebenenfalls der Wandstärke benachbarter Rippen unterschiedliche Dimensionen gibt. Für die Rippen selbst empfiehlt sich dabei ein trapezförmiger Querschnitt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung etwas näher auf die Temperaturverhältnisse an der Übergangsstelle zwischen dem Rohr und den damit verbundenen Rippen einerseits bei einer Kernbrennstoffelementhülle bisheriger Bauart und andererseits bei einer Kernbrennstoffelementhülle gemäß der Erfindung eingegangen werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch eine bisher übliche Hülle,

Fig. 2 und 3 entsprechende Querschnitte durch zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Hülle und

Fig.4 eine perspektivische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Hülle.

Bei der in Fig. 1 in Form eines senkrecht zur Längsrichtung der Rippen verlaufenden Schnittes dargestellten bekannten Hülle lassen sich die Ausbildung der Rippen und der zwischen ihnen liegenden Einzelkanäle ebenso wie die thermischen Verhältnisse durch die Angabe einer Reihe von Parametern charakterisieren, zu denen die Wanddicke e des Rohres 1, die Höhe A der Rippen 2, die Wandstärke^ der Rippen2, die lichte Weite« der zwisehen den Rippen 2 liegenden Kanäle und der Durchmesser D₀ des Rohres 1 gehören, der gleichzeitig den Durchmesser des als zylindrischer Stab ausgebildeten Brennstoffelementes und damit der eigentlichen Wärmequelle darstellt.

Die Schnittdarstellung der Fi g. 2 durch eine erfindungsgemäße Brennstoffelementhülle zeigt die gleichen Parameter, wobei lediglich an die Stelle der Rippenhöhe A und der Rohrdicke e jeweils zwei Größen treten, nämlich eine größte Kanaltiefe A₁ und eine kleinste Kanaltiefe A₂, denen jeweils eine kleinste Rohrdicke e und eine größte Rohrdicke e₂ entsprechen.

Nun läßt sich rechnerisch zeigen und experimentell nachweisen, daß sich für jedes bekannte Hüllenprofil entsprechend der Darstellung in F i g. 1 eine unendlich große Anzahl von äquivalenten Profilen für erfindungsgemäße Hüllen nach F i g. 2 angeben läßt, die jeweils ein gleiches Betriebsverhalten hinsichtlich des Wärmeaustauschkoeffizienten und des aerodynamischen Strömungsverlustfaktors zeigen. Dabei gilt für zwei Profile mit gleicher lichter Weite α der Kanäle und gleicher Stärke β der Rippen 2 sowie gleicher kleinster Rohrdicke e die Beziehung:

A-, + A₀ 2 e + D_n

2A

(e + e₂) + D₀

Die Voraussetzung gleicher Betriebseigenschaften zweier Profile bedeutet, daß die höchste Temperatur der Hüllen am Punkt α ihrer inneren Rohroberfläche in beiden Fällen die gleiche ist. Durch die von außen wirkende Kühlung der Hülle ergibt sich ein Temperaturabfall zuerst quer durch das Rohrl und dann entlang den Rippen 2, wobei bereits im Punkt b, der bei der bekannten Hülle dem Rippengrund entspricht, eine wesentlich niedrigere Temperatur herrscht als im Punkt α an der inneren Rohrwandung. Bei der erfindungsgemäßen Hülle nach Fig.2 tritt an die Stelle des Punktes b als mechanisch interessierender Punkt der Punkt c, an dem die Temperatur nicht nur erheblich niedriger liegt als am Punkt a, sondern auch wesentlich niedriger ist als am Punkt b in Fig. 1. Liegt beispielsweise die Temperaturdifferenz zwischen dem Kernbrennstoffelement und dem seine Hülle außen umströmenden Kühlgas in der Größenordnung von 100° C, so beträgt der Temperaturunterschied zwischen den Punkten α und b in F i g. 1 etwa 10° C, während der Unterschied zwischen den Punkten α und c in Fig. 2 20° C übersteigt. Es herrscht also im Fußbereich der Rippen bei der erfindungsgemäß gestalteten Hülle eine wesentlich geringere Temperatur als bei den bekannten Hüllen, und dementsprechend wird auch die kombinierte thermische und mechanische Belastung der Übergangsstelle zwischen Rippen und Rohr bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Hülle wesentlich geringer.

Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile seien die Ergebnisse praktischer Versuche angegeben, die mit erfindungsgemäß entsprechend Fig. 2 ausgebildeten Brennstoffelementhüllen angestellt wurden, bei denen die größte Kanaltiefe A₁ jeweils 7 mm und die kleinste Kanaltiefe A₂ im einen Fall 6,31 mm und im anderen Fall 5,65 mm betrug. Setzt man dabei den Wert der größten Beanspruchung bei der bekannten Hülle nach F i g. 1 im Punkt b als Einheit an, so ergeben sich für die entsprechenden Beanspruchungen im Punkt c bei den erfindungsgemäß gestalteten Hüllen im ersten Fall ein Wert von 0,87 und im zweiten Fall ein Wert von 0,64. Setzt man weiter die Verbiegung der Rippen durch das Fließen des Materials in der am stärksten belasteten Zone innerhalb einer vorgegebenen Zeit bei der Hülle nach Fig. 1 wieder als Einheit an, so ergibt sich für die entsprechenden Verbiegungen bei den erfindungsgemäß nach F i g. 2 gestalteten Hüllen

ein Wert von 0,8 bzw. von 0,5, wobei die Temperaturerniedrigung in der beanspruchten Zone noch nicht berücksichtigt ist, die sich auf etwa 10 bzw. 20° C beläuft und ebenfalls zu einer Verringerung der Fließverformung führt.

Diese Temperaturerniedrigung führt zu zwei Verbesserungen. Man kann nämlich einerseits die Temperatur am heißesten Punkt der Hülle um einen etwa entsprechenden Betrag erhöhen, und zum anderen kann man eine Vergrößerung des Wärmeaustauschkoefflzienten erreichen, indem man die Anzahl der Rippen erhöht, wodurch sich wiederum die Temperatur des am stärksten belasteten Punktes verringert.

Bei der in F i g. 3 veranschaulichten Variante für eine erfindungsgemäß ausgebildete Hülle sind benachbarte Rippen 2 a und 2 b abwechselnd breit und schmal ausgeführt, und außerdem unterscheiden sich die zwischen den Rippen liegenden Kanäle 3 α und 3 b nicht nur durch ihre Tiefe, sondern auch durch ihre lichte Weite voneinander. Daneben gibt es selbstverständlich noch weitere Variationsmöglichkeiten für die Ausbildung sowohl der Rippen als auch der zwischen ihnen liegenden Kanäle bei einer erfindungsgemäßen Hülle. So können beispielsweise die in F i g. 2 und 3 dargestellten rechteckigen Rippenquerschnitte durch trapezförmige Querschnitte ersetzt werden, und ebenso kann man statt des ebenen Grundes der Kanäle eine konkave oder eine konvexe Ausbildung wählen und beispielsweise eben begrenzte weniger tiefe Kanäle mit konvex begrenzten tiefen Kanälen kombinieren.

Wie die perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffelementhülle in Fig. 4 zeigt, verlaufen die Rippen 5 bzw. 6 in den einzelnen, durch parallel zur Achse des Rohres 4 gelegte Einschnitte 7 und 8 voneinander getrennten Sektoren jeweils parallel zueinander, schließen jedoch mit den Rippen der jeweils benachbarten Sektoren einen Winkel ein. Außerdem sieht man in F i g. 4 deutlich den trapezförmigen Querschnitt der einzelnen Rippen 5 und 6 sowie die unterschiedliche Tiefe, bis zu der die Kanäle 10 und 11 einerseits und die diesen benachbarten Kanäle 12 und 13 andererseits in das Rohr 4 eingeschnitten sind.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Hülle für Kernbrennstoffelemente aus einem Rohr, auf dessen Außenseite gegeneinandergewinkelte Scharen von Rippen angeordnet sind, die gemeinsam mit dem Rohr nach außen offene Einzelkanäle für die Zirkulation eines die Hülle umströmenden Wärmeübertragungsmediums begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beiden Seiten jeder Rippe (2 a, 2 b; S, 6) liegenden Einzelkanäle (3a, 3 b; 10, 11, 12, 13) unterschiedlich tief in das Rohr (1; 4) eingeschnitten sind.

2. Hülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (ß) benachbarter Rippen (2 a, 2 b) und/oder die lichte Weite (a) benachbarter Einzelkanäle (3 a, 3 b) unterschiedlich ist.

3. Hülle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (2, 5, 6) trapezförmigen Querschnitt aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschriften Nr. 1 255 917,
280 088, 1 291702;

französische Zusatzpatentschriften Nr. 54 921,
374;

belgische Patentschrift Nr. 558 588;

britische Patentschrift Nr. 732 468.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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