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Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennelement aus im Verhältnis
zu ihrem Durchmesser langen Brennstäben mit mehreren über die Brennstablänge verteilt
angeordneten Abstandshaltern. Die Erfindung betrifft weiter eine Kernreaktor-Brennelementanordnung
aus diesen Brennelementen für den Aufbau der Spaltzone eines Kernreaktors.
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Die Entwicklung der Kernreaktoren läßt eine stetig steigende Wärmeleistung
je Raumeinheit der nuklearen Spaltzone erkennen. Um trotzdem unzulässig hohe Temperaturen
in den Werkstoffen zu vermeiden, muß die für die Wärmeleistung innerhalb des Brennstoffs
charakteristische Länge klein gehalten werden. Dies gilt um so mehr; wenn die Brennstoffe
in keramischer Form, d: h. als Oxyde oder Carbide vorliegen, deren Wärmeleitzahlen
im Vergleich zu Metallen klein sind. Brennelemente bestehen oft aus einer Vielzahl,
von dünnen Stangen relativ kleinen Durchmessers, der im Falle sehr hoher Wärmeleistungen
auf wenige Millimeter zurückgehen kann. Aus - nuklearen Gründen müssen diese Stangen
sehr dicht nebeneinander angeordnet werden, so daß der zwischen ihnen verbleibende,
dem Kühlmittel zur Verfügung stehende Hohlraum 30 bis 40 % des Gesamtvolumens nicht
überschreitet. Ein Verbiegen dieser dünnen Stabelemente würde zu einer Verminderung
des Kühlkanalquerschnittes, im Grenzfalle sogar zu einem vollkommenen Schließen
der relativ engen Kühlkanäle und damit zu unzulässiger Anhäufung nuklearen Materials
bzw. örtlicher überhitzung führen.
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Es sind daher Anordnungen bekanntgeworden; die ein Verbiegen der Brennstoffstäbe
verhindern sollen. So ist z. B. vorgeschlagen worden, die Stäbe mit einer Drahtspirale
zu umgeben, die sich auf den benachbarten Stäben abstützen, wenn eine Verbiegung
auftritt (deutsche Auslegeschrift 1089 081, insbesondere .Spalte 2, Zeile 44 bis
46). Durch Halterungen an den Stabenden werden die Stäbe räumlich festgelegt. Die
Befestigung der Spiralen auf den dünnen Hüllender Brennstoffstäbe ist technisch
nur schwierig durchzuführen. In der Regel werden die Brennstoffstäbe hierbei angegriffen.
Entscheidend ist jedoch der Nachteil, daß die an den Enden vorgesehenen gemeinsamen
Halterungen unterschiedliche , Ausdehnungen der einzelnen Stäbe sogar begünstigen.
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Weiterhin ist eine Anordnung bekanntgeworden, die zum Stabilisieren
der stabförmigen Brennelemente achsparallel zu diesen angeordnete Abstandselemente
aus verdrillten Metallbändern vorsieht, welche jeweils an ihrem oberen und unteren
Ende in ein Metalldrahtgitter einegspannt sind und auf diese Weise zu einem Bündel
zusammengehalten werden (britische Patentschrift 8'74 039). Durch diese Einspannung
in eine obere und untere Endhalterung ist ein unabhängiges axiales Ausdehnen der
einzelnen Brennelementstäbe nicht gewährleistet, insbesondere auch nicht das geforderte
Einhalten eines vorbestimmten Mindestabstandes über die Länge der Brennelemente,
- da diese zur Peripherie hin ausweichen können.
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Aus der deutschen Ausfegeschrift 1085 975 ist ein Kernreaktor-Brennelement
bekannt, bei dem jeweils sieben in einem regelmäßigen Sechseckgitter angeordnete
Brennstoffstäbe durch - eine gemeinsame über die Stablänge laufende Halte- und Abstandswendel
zu einem Bündel zusammengefaßt und auf Zwischenabstand gebracht sind, derart, daß
in der Draufsicht jede Diagonal-Dreierstabreihe von der Wendel mindestens einmal
umschlungen ist. Ein solches Brennelement hat den Nachteil, daß bei einem Bruch
der gemeinsamen Abstandswendel die Brennstäbe dieser Siebener-Gruppe auseinanderfallen.
Außerdem besteht der schwerwiegende Nachteil, daß die einzelnen Brennstäbe praktisch
von Hand zu solch einem Brennelement zusammengespannt werden müssen. Auch läßt sich
eine viel größere Anzahl von Brennstäben nach diesem Prinzip nicht mehr zusammenfassen.
Zum Aufbau der Spaltzone eines Kernreaktors müssen deshalb mehrere solcher Siebener-Gruppen
nebeneinander angeordnet werden, wobei es sich jedoch beim Betrieb des Reaktors
nicht vermeiden läßt, daß sich diese Brennelemente mangels gegenseitiger Verbindung
verbiegen und dadurch ebenfalls die obenerwähnten Kühlschwierigkeiten mit unerwünschter
lokaler Überhitzung im Gefolge auftreten.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung sind Längsrippen an den Brennstoffstäben
angebracht, wobei die Rippen benachbarter Stäbe miteinander verschweißt werden (deutsche
Auslegeschrift 1062 351, britische Patentschrift 904 618, F i g. 2). In diesem starren
Gebilde mit gegeneinander abgeschlossenen Kühlkanälen wird die Ausbildung von Temperaturdifferenzen
begünstigt und wiederum den resultierenden, unterschiedlichen Dehnungen kein Spielraum
gelassen, so daß die Gefahr von Verbiegungen und Zerstörungen erhöht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es; die Kernbrennstäbe so anzuordnen,
daß sie sich in axialer Richtung praktisch ungehindert bewegen können, während in
radialer Richtung ein Unterschreiten des für ausreichende Kühlung notwendigen
minimalen Abstandes sicher verhindert wird. Ferner besteht die Aufgabe, die
Anordnung der Brennelemente so zu treffen, daß sowohl eine axiale als auch radiale
Durchströmung mit Kühlmittel möglich ist.
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Auch bei dem in der Erfindung 'beschriebenen Kernreaktor-Brennelement
aus im Verhältnis zu ihrem Durchmesser langen Brennstäben sind mehrere über die
Brennstablänge verteilt angeordnete Abstandshalter zum Einhalten eines vorbestimmten
Mindestabstandes zwischen benachbarten Brennstäben vorgesehen. Gemäß der Erfindung
bestehen diese Abstandshalter aus Drähten, die zusammen mit den Brennstäben zu einem
ebenen Netz- oder Flechtwerk verbunden sind. Vorteilhafterweise bilden dabei die
Brennstäbe den Schuß und die Drähte die Kette des Netzwerkes. Der wesentliche Vorteil
gegenüber bekannten Brennelementen dieser Art besteht insbesondere darin, daß nunmehr
jede beliebige Anzahl von Brennstäben auf höchst einfache Weise zusammengefaßt werden
kann und daß der geforderte Mindestabstand zwischen den einzelnen Brennstäben über
die gesamte Brennstablänge sicher eingehalten werden kann.
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Nach einem Merkmal der Erfindung ist der Durchmesser der hitzebeständigen
Drähte wesentlich kleiner als der der Bremsstäbe; zweckmäßigerweise beträgt er nur
das 0,2- bis 0,3fache des Durchmessers der Brennstäbe. Diese die Kette bildenden
Drähte werden vorzugsweise in Gruppen von zwei bis drei Drähten zusammengefaßt,
die in größeren Abständen wellenförmig um die Brennstoffstäbe geschlungen
werden,
wobei benachbarte Drähte zweckmäßigerweise die Stäbe von entgegengesetzter Seite
umschlingen. Auch können diese Drähte jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Stäben miteinander verschlungen werden, wodurch jede Verschiebung der Stäbe in radialer
Richtung praktisch unterbunden wird. Ein axiales Wachsen der Stäbe entweder in ihrer
Gesamtheit oder relativ zueinander, wie es infolge unvermeidlicher Temperaturunterschiede
eintritt, ist aber in jedem Falle praktisch unbehindert möglich. Wesentlich ist
vor allem, daß die wirkungsvolle Halterung nach der Erfindung mit einem Aufwand
von Material erreicht wird, der wesentlich kleiner ist als bei bekannten Anordnungen.
Insbesondere führt ein Bruch eines Abstandshalters nicht zwangläufig zum Auseinanderfallen
der einzelnen Brennstäbe.
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Um die für die jeweilige Spaltzone gewünschte Konzentration des Brennstoffes
zu erreichen, sind mehrere Lagen des aus Brennstäben und Drähten bestehenden ebenen
Netz- oder Flechtwerks mäanderförmig zu einem Faltkörper aufeinandergefaltet, wobei
im Falle eines thermischen Reaktors ein Teil der Brennstoffstäbe durch Stäbe ersetzt
werden kann, die ein nuklear moderierendes Material, wie z. B. Berylliumoxyd, enthalten.
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Vorzugsweise sind die den Schuß bildenden Brennstäbe in radialer Richtung
in aufeinanderfolgenden Lagen gegeneinander verschoben, so daß in dem Faltkörper
die Brennstäbe benachbarter Lagen auf Lücke liegen. Hierdurch wird erreicht, .daß
sich die Stäbe in einem Gitter aus gleichseitigen Dreiecken anordnen, wodurch der
Hohlraum der Packung bei vorgegebenem Mindestabstand der Stäbe auf ein Minimum sinkt.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Faltkörper trapezförmigen
Querschnitt besitzt. Wird eine solche Packung von dem Kühlmittel in axialer Richtung
durchströmt, so wirken die die Kette bildenden Drähte ähnlich wie Oberllächenrauhigkeiten,
die den Wärmeübergang erhöhen. Im Falle siedender Kühlmittel erhöhen sie den maximal
erreichbaren Wärmefluß, der durch den Ausbrennvorgang infolge einsetzender Filmverdampfung
gegeben ist. Eine besonders günstige Kernreaktor-Brennelementanordnung ergibt sich,
wenn mehrere Faltkörper von trapezförmigem Querschnitt zu einer sechskantigen Hohlsäule
zusammengefaßt sind, die dann von dem Kühlmittel in radialer Richtung durchströmt
wird. Die Brennstoffstäbe werden hierbei im Querstrom beaufschlagt, wodurch sich
hohe Wärmeübergangswerte erzielen lassen und der Ausbrennvorgang verzögert wird.
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Eine weitere günstige Kernreaktor-Brennelementanordnung wird dadurch
erreicht, daß das aus Brennstäben und Drähten bestehende Netz ein- oder mehrlagig
zu einem Hohlrohr geformt ist. Ein besonderer Vorteil des Kernreaktor-Brennelements
nach der Erfindung ist es, daß der Webvorgang zu seiner Herstellung fernbetätigt
durchgeführt werden kann, was vor allem bei der Verwendung von Plutonium oder von
bereits bestrahltem Brennmaterial von ausschlaggebender Bedeutung sein kann.
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In der Figur ist schematisch eine derartige gefaltete Kernreaktor-Brennelementanordnung
nach der Erfindung dargestellt, in der die Schüsse 1 von Brennstäben gebildet werden,
während die Ketten 2 aus dünnen Drähten bestehen. Das mäanderförmig gefaltete Gitterwerk
ergibt dann einen Faltkörper von trapezförmigem Querschnitt.